Günstiger Katalysator für die Energieumwandlung in Sicht 24.10.2018, 07:00 Uhr

Neue Legierung könnte Platin ersetzen

Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben eine metallfreie Legierung entwickelt, die ähnliche Eigenschaften wie Platin hat. Verschiedene Einsatzmöglichkeiten sind denkbar.

Darstellung einer galvanischen Zelle

Bei solch einem Modell einer galvanischen Zelle wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Als Katalysator dient häufig das teure Platin.

Foto: panthermedia.net/Alexander Zam

Platin hat sehr spezielle Eigenschaften, die für die Wissenschaft von großer Bedeutung sind. Unter anderem ist es ein hervorragender Katalysator. Es beschleunigt also chemische Reaktionen, ohne dabei selbst Schaden zu nehmen. Platin kommt daher häufig zum Einsatz, wenn chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden soll oder umgekehrt. Das ist praktisch, bringt jedoch ein Problem mit sich: Platin ist selten und teuer. Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben jetzt eine Legierung entwickelt, die Platin langfristig ersetzen könnte.

Platin-Ersatz: Legierung aus Nichtedelmetallen

Katalysatoren beschleunigen eine chemische Reaktion und werden daher gerade im Zusammenhang mit der Energiewende immer wichtiger. Beispielsweise  sind sie im Bereich der erneuerbaren Energien interessant, um die elektrische Energie aus Photovoltaik oder Windenergie in chemische Energie umzuwandeln, damit diese besser gespeichert werden kann. Unter anderem kann mithilfe des Stroms aus einer Solaranlage Wasserstoff hergestellt werden. Umgekehrt sorgen sie in einer Brennstoffzelle dafür, dass die Energie, die aus einer chemischen Reaktion entsteht, anschließend als elektrische Energie zur Verfügung steht.

All diese Vorgänge sind nur mit Katalysatoren möglich. Wie stark sie eine chemische Reaktion beschleunigen, also wie aktiv sie sind, ist unterschiedlich. Während das teure Platin als sehr aktiv gilt, haben Elemente, bei denen es sich nicht um Edelmetalle handelt, normalerweise sehr schlechte katalytische Eigenschaften. Umso überraschender sind die Ergebnisse an der RUB: Den Forschern vom Zentrum für Elektrochemie ist es gelungen, aus fünf verschiedenen Elementen eine Legierung herzustellen, die eine deutliche Aktivität als Katalysator aufweist.

Bessere Katalysator-Eigenschaften durch Hochentropieeffekt

Die fünf Komponenten sind in der neuen Legierung nahezu gleichmäßig vertreten, was dazu führt, dass sich eine einfache Kristallstruktur bildet, ein sogenannter Hochentropieeffekt. „Durch das Zusammenwirken der verschiedenen benachbarten Elemente bilden sich neue aktive Zentren aus, die komplett neue Eigenschaften aufweisen“, sagt Tobias Löffler, Doktorand an der RUB.

Die Ausprägung dieser Eigenschaften lasse sich in einem gewissen Rahmen sogar steuern, weil die Wissenschaftler eine eigene Methode entwickelt haben, um die Ausgangselemente in winzige Partikel zu teilen und auf einem Träger aufzubringen – in der Mitte sind zum Beispiel die Anteile aller fünf Elemente ungefähr gleich groß. Die genaue Zusammensetzung haben sie so lange verändert, bis die Legierung eine katalytische Aktivität aufwies, die mit der von Platin vergleichbar war – bezogen auf die oftmals gewünschte Sauerstoffreduktion.

Grundlage für neue Katalysatoren

Die Forscher hoffen jetzt, dass es ihnen durch weitere Kombinationsmöglichkeiten und unterschiedliche Zusammensetzungen gelingt, die Eigenschaften der Legierung weiter anzupassen. Bevor sie allerdings gezielt neue Katalysatoren entwickeln können, müssen sie zunächst das komplexe Zusammenwirken der Elemente besser verstehen. Die Grundlage für diese Entwicklung ist aus ihrer Sicht jedoch gelegt.

 

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