Automobilbauer weltweit forschen an Alternativen zum klassischen Otto-Motor. Als umweltfreundliche Antriebstechnik gilt die Brennstoffzelle. Sie gewinnt Reaktionsenergie, indem sie Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser umwandelt. Aus dem Auspuff strömt lediglich harmloser Wasserdampf. Der japanische Autobauer Toyota will bereits nächstes Jahr den FCV auf die Straße schicken. Der Wasserstofftank soll hinter der Rückbank des Brennstoffzellenautos installiert sein und sich in drei bis fünf Minuten betanken lassen – ein wesentlicher Vorteil zur längeren Ladezeit der Elektromotoren.
Doch das Tanken mit Wasserstoff sorgt bei vielen potentiellen Nutzern für Unbehagen. Denn das Gas zischt solange durch den Schlauch der Zapfsäule, bis im Druckgastank ein gewaltiger Druck aufgebaut ist. Bis zu 700 bar herrschen im Inneren – das über Deihundertfache des üblichen Reifendrucks. Eine Größenordnung, bei der viele Interessenten an eine rollende Bombe denken.
Brennstoffzellen-Autos könnten auch flüssiges Methanol tanken
Wasserstoff für Brennstoffzellenautos muss man allerdings nicht zwangsweise in Gasform tanken. Eine Alternative ist flüssiges Methanol. Es lässt sich während der Fahrt wieder in Wasserstoff und Kohlendioxid zerlegen. Bei dieser sogenannten Dampfreformierung spielen Metallkatalysatoren eine Schlüsselrolle, die Forscher an der Technischen Universität in Wien derzeit untersuchen. Denn nur mit dem richtigen Katalysator entsteht aus Methanol und Wasserdampf ein reines Gemisch aus CO2 und molekularem Wasserstoff, das kein für die Brennstoffzelle gefährliches Kohlenmonoxid enthält.
Besonders kompliziert sind die Prozesse an der Katalysatoroberfläche. „Unterschiedliche Atom- und Molekülsorten sind beteiligt“, erklärt Forscherin Karin Föttinger, die im Spezialforschungsbereich Foxsi der TU Wien arbeitet. „Oft ist schwer zu sagen, welche für die Reaktion wichtig sind, und welche untergeordnete Rollen spielen.“
Forscher kommen Geheimnissen der Katalysatoren auf die Spur
Während sich viele Experten in der Industrie noch nach dem Schema Versuch und Irrtum an die richtige Zusammensetzung der Katalysatoren herantasten, geht die TU Wien einen Schritt weiter. Mit modernen spektroskopischen Methoden untersucht Föttinger, wie Reaktionen am Katalysator im Detail ablaufen. Ihr Kollege Christoph Rameshan trennt die einzelnen Komponenten und analysiert sie in Modellsystemen einzeln. So können die Forscher nachvollziehen, was genau bei den komplizierten chemischen Prozessen an der Katalysator-Oberfläche passiert.
Als Katalysatoren kommen übrigens meist winzige Nanopartikel aus Metall zum Einsatz – oft aus Palladium. Sie sitzen auf Metalloxid-Oberflächen wie Zinkoxid. Heiß diskutiert war in den letzten Jahren die Frage, ob das Oxid oder das Reinmaterial für die Katalyse zuständig ist. Föttinger gibt jetzt eine Antwort: „Unsere Messungen zeigen: Man braucht beides.“ Kollege Rameshan konkretisiert: „Das Oxid ist wichtig für die Wasseraktivierung, für die Aufspaltung der Wassermoleküle. Das Metall hingegen ist wichtig für die Aufspaltung des Methanols.“
Junge Wissenschaftler erhalten Preise für herausragende Forschungsleistung
Die jungen Wissenschaftler erhielten für ihre Arbeit bereits Auszeichnungen. Karin Föttinger nahm den Theodor-Körner-Förderungspreis entgegen und kann somit zusätzliche Geräte für weitere Forschungen finanzieren. Christop Rameshan erhielt den Gerhard Ertl Young Investigator Award 2014, den das Journal Surface Science für herausragende Forschungsleistungen vergibt. Mit den Erkenntnissen der Forscher könnte sich die Wirkungsweise der Katalysatoren in Zukunft entscheidend verbessern lassen.
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