Goldhaufen für langlebige Brennstoffzellen

Autos mit Brennstoffzellen und Elektromotor harren ihrer Markteinführung. Eine Nanobeschichtung der Elektroden könnte diese beschleunigen.

Upton (USA) - Derzeit laufen zahlreiche Langzeittest, um die Zuverlässigkeit dieser Fahrzeuge zu belegen. Dabei ist die dauerhafte Stabilität der Strom spendenden Zellen ohne Leistungsabfall zu gewährleisten. Auf diesem Weg fanden amerikanische Wissenschaftler nun heraus, dass kleine Gold-Cluster die Zuverlässigkeit der notwendigen Platinelektroden weiter erhöhen können. Über ihre Versuche berichten sie in der Zeitschrift "Science".

"Jüngst haben Studien gezeigt, dass die Platin-Bereiche in Polymermembran-Zellen (PEM) durch das Stoppen und Anfahren der Elektroautos mit der Zeit substanzielle Verluste haben", schreiben Junliang Zhang und seine Kollegen vom Brookhaven National Laboratory in Upton. In diesen PEM-Zellen läuft an der Platin-Kathode die Reduktion von Sauerstoff mit Wasserstoff-Ionen zu Wasser ab. Wird dieser Prozess mehrere tausend Mal wiederholt, können sich Platin-Partikel lösen und die Kathode nimmt langfristig Schaden. Dagegen helfen eingelagerte Gold-Cluster in der Platin-Elektrode. In seinen Testläufen konnte Zhang stabilisierende Effekte auf die Brennstoffzelle zeigen.

Die Forscher deponierten dazu zwei bis drei Nanometer kleine Goldkügelchen auf der Platinoberfläche. Insgesamt wurde diese Fläche zu 30 bis 40 Prozent mit den Goldclustern abgedeckt. Nach 30.000 Reaktionszyklen verglichen sie die Leistung dieser Brennstoffzelle mit einem Modul, in dem eine herkömmliche Platin-Kathode eingebaut worden war. Der Spannungsverlust bewegte sich gerade einmal bei fünf Millivolt im Vergleich zu 39 Millivolt. Zusätzlich analysierten sie die Elektroden-Oberflächen voltametrisch über das Andockverhalten von Wasserstoff. Die Messungen bestätigten, dass die mit Gold behandelte Oberfläche keine Schäden aufwies. Die reine Platinelektrode war dagegen nur noch zu etwa 55 Prozent katalytisch aktiv.

Überraschend war für die Forscher die unverändert hohe Reaktionsaktivität der Elektrode mit Gold-Clustern. Denn eigentlich ist Gold kein geeigneter Katalysator für die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser. Doch scheint dies nur für Gold-Festkörper und nicht für die Nanometer kleinen Cluster zu gelten. Zudem sahen Zhang und Kollegen Anzeichen für einen unterstützenden Prozess über eine Reduktion von Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid. Die größere Stabilität der Elektrodenoberfläche führen sie auf ein höheres Oxidationspotenzial für Platin in Gegenwart der Gold-Cluster zurück. Diese Ergebnisse haben das Potenzial, die Lebensdauer von PEM-Brennstoffzellen signifikant zu steigern.