Schon seit langem ringen Wissenschaftler um die Entwicklung von
leistungsstarken Brennstoffzellen als umweltfreundliche Energie in
Elektrofahrzeugen. Doch Prof. Chen Tsan-Yao vom Department of
Engineering and System Science der Tsing-Hua-Nationaluniversität,
Taiwan, erzielte vor kurzem einen wichtigen Durchbruch bei der
Verwendung von Ultraschallwellen, um winzige Vertiefungen in der
Oberfläche von verschiedenen Materialien herzustellen, die in Verbindung
mit einem Platinkatalysator im atomaren Maßstab verwendet werden können,
um die Effizienz von alkalischen Brennstoffzellen (AFC) zu verdoppeln.
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Prof. Chen Tsan-Yao recently developed a way of using ultrasonic waves to make tiny grooves on a metal surface, which in conjunction with an atomic-scale platinum catalyst can be used to double the efficiency of alkaline fuel cells. (Photo: National Tsing Hua University)
Diese Katalyse im atomaren Maßstab erhöht die Stromstärke der
Sauerstoffreduktion (Kathodenreaktion) um das Zehnfache ohne
Leistungsminderung über einen Zeitraum von acht Monaten Dauerbetrieb und
senken die Produktionskosten um 90 Prozent. Die Zellen haben eine
Lebensdauer von zwei bis drei Jahren. Diese bahnbrechende Forschung
wurde als ein Fokuspapier über Energiematerialien in der Februarausgabe
von Nature Communications veröffentlicht und ausgewählt. Prof.
Chen teilte mit, dass er derzeit eine Größenquantisierungskorrelation im
Katalysator entwickle, um die Zellen noch günstiger und effizienter zu
machen.
Erforschung des Grenzbereichs im atomaren Maßstab
Eine Brennstoffzelle ist eine Stromerzeugungsanlage, die chemische
Energie in elektrische Energie umwandelt. Alkalische Brennstoffzellen
sind sicherer und effizienter als Säurebatterien und kommen daher in der
Raumfahrt und bei Satelliten weitläufig zum Einsatz. Der Katalysator ist
der wichtigste Baustein bei der Brennstoffzellenleistung. Prof. Chen
erläuterte, dass es viele Faktoren gibt, die die Effizienz des
Katalysators beeinträchtigen, insbesondere Volumen. Bei gleichem Volumen
ist der Oberflächenbereich umso größer, je kleiner die
Katalysatorpartikel sind, und umso höher ist die Leistung. Doch sind die
Partikel zu klein, werden sie instabil und verlieren rasch ihre
Effizienz. Daher bestand für Prof. Chen die Herausforderung darin, einen
Weg zu finden, wie sich die Größe reduzieren und die Stabilität erhöhen
lässt.
Inspiriert durch die Liebe zu Coffee Soda
Prof. Chen merkte an, dass ihn Coffee Soda bei den Strategien
inspirierte. Bei einem Gespräch mit dem Inhaber eines Coffeeshops
entdeckte er, dass je nach der Reihenfolge, in der der Kaffee und die
Limonade in das Glas gegossen würde, die Süße, der Geschmack und die
Anzahl der Bläschen sehr unterschiedlich ausfallen. Daraufhin wies er
seine Forschungsassistenten an, die Reihenfolge im Kristallwachstum
umzukehren. Anders als bei der traditionellen Methode fügen sie alle
zehn Sekunden neue Materialien hinzu und unterbrechen die Reaktion in
nur wenigen Sekunden, wodurch die Platinum-Trimer-Katalysatoren
entstehen.
Niedrigere Kosten, erhöhte Effizienz und verlängerte Lebensdauer
Es verwundert nicht, dass Prof. Chens Studenten anfänglich Zweifel an
seinem unorthodoxen Ansatz hatten. Nach hunderten Fehlschlägen gelang
ihnen schließlich die Herstellung der Platinum-Trimer-Katalysatoren, die
in den alkalischen Brennstoffzellen stabil blieben und eine hohe
Aktivität beibehielten. Prof. Chen führte an, dass der für seinen
atomischen Katalysator verwendete Platinumanteil lediglich 1% ausmache,
und im Vergleich dazu der Platinumanteil bei durchschnittlichen
kommerziellen Katalysatoren 35% beträgt. Die aktuelle Massendichte ist
um das 30-fache höher.
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