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News: Die Suche nach dem besten Kat für Methanol

Mit Brennstoffzellen läßt sich effektiv elektrische Energie aus der Verbrennung von Wasserstoff oder Methanol gewinnen. Die Reaktion läuft dabei kontrolliert an Katalysatoren ab. Mit einem umgebauten Tintenstrahl-Drucker haben Wissenschaftler sich auf die Suche nach dem besten Material für den Katalysator gemacht.
Die meisten Verfahren zur Stromproduktion nehmen einen thermodynamisch ungünstigen Umweg: Der Energieträger wird verbrannt, wobei Wärme entsteht, die wiederum mit geringer Effizienz genutzt wird, um elektrische Energie zu gewinnen. Brennstoffzellen produzieren dagegen ihre elektrische Energie direkt aus Verbindungen wie Wasserstoff, Alkoholen oder Erdgas. Sie arbeiten daher mit extrem hohen Wirkungsgraden.

Allerdings sprechen einige praktische Überlegungen bisher gegen ihren Einsatz im Alltag: "Die Brennstoffzellen auf Wasserstoffbasis, die seit Gemini bei Weltraummissionen benutzt werden, sind für die meisten Anwendungen auf der Erde nicht praktikabel, denn sie benötigen Katalysatoren und Elektrolyte, die nur mit sehr reinem Wasserstoff arbeiten. Dieser ist jedoch in der Herstellung teuer sowie schwer zu lagern und zu transportieren", erklärt Thomas E. Mallouk, Professor für Chemie an der Penn State University. "Natürlich will niemand zusammen mit seinem Laptop einen Tank komprimierten Wasserstoffs mit sich herumtragen, und auch im Auto würde man darauf lieber verzichten. Diese Probleme motivierten uns, nach Brennstoffzellen zu suchen, die mit erneuerbaren, flüssigen Brennstoffen arbeiten."

Die Forscher favorisierten als Energielieferanten Methanol – ein flüssiger Brennstoff, der billig aus Biomasse oder aus fossilen Naturreichtümern wie Kohle, Öl oder Erdgas gewonnen wird. "Da Methanol mit den bestehenden Versorgungssystemen für flüssige Brennstoffe kompatibel ist, wird es zum Beispiel schon in Rennwagen bei "Indianapolis 500"-Rennen verwandt, in deren Motoren bereits Methanol verbrennt", sagt Mallouk.

In Brennstoffzellen verursacht Methanol allerdings ein Problem, da seine Oxidation in der Zelle negative Auswirkungen auf die katalytische Elektrodenoberfläche hat. "Die Platinkatalysatoren, die so gut in Wasserstoff-Brennstoffzellen funktionieren, sind bei Methanol im wesentlichen nutzlos", verdeutlicht Eugene S. Smotkin, Professor für Chemie- und Umweltingenieurwissenschaft am Illinois Institute of Technology. "Sie adsorbieren kein Wasser, was jedoch benötigt wird, um das auf der Platinoberfläche entstehende Kohlenmonoxid vollständig zu oxidieren. Daher sind auch Platinlegierungen, die das Sauerstoffatom im Wasser binden, viel bessere Katalysatoren." Bisher war eine Platin-Ruthenium-Legierung der beste bekannte Katalysator für Methanol-Brennstoffzellen. Aber der neue Katalysator, eine quaternäre Legierung aus Platin, Ruthenium, Osmium, und Iridium, ist je nach energetischer Beanspruchung der Zelle um 40 bis 100 Prozent besser (Science vom 12. Juni 1998). Er ist, so die Forscher, besonders bei hohen Strömen und Energien effektiv.

Die Idee, nach diesen komplexen Katalysatorverbindungen zu suchen, stammte aus einer Abhandlung, die Smotkins Arbeitsgruppe bereits 1995 im Journal of the Electrochemical Society veröffentlicht hatte. "Sie stellten die Fähigkeit einer Legierung, Wasser zu binden, der Katalysatorleistung gegenüber", erklärt Mallouk. "Dadurch kamen die Forscher auf den Gedanken, daß in einem Katalysator drei Elemente besser sind als nur zwei. Außerdem hatten sie eine ziemlich genaue Vorstellung darüber, welche Elemente man zusammenbringen müßte." Das Herstellen und Testen dieser Legierungen war indes ein zeitaufwendiger Prozeß, was sich bei einer zunehmenden Anzahl von Elementen immer deutlicher zeigte. "Um Kombinationen von vier Elementen einigermaßen vernünftig zu testen, hätte man Hunderte Katalysatoren in Betracht ziehen müssen", fährt Mallouk fort. "Hätte man die Katalysatoren in Serie hergestellt, wäre das nicht in einem akzeptablen Zeitrahmen möglich gewesen. Außerdem wäre diese Arbeit für den Doktoranden, der sie hätte verrichten müssen, nicht gerade eine Freude gewesen."

Die Wissenschaftler an der Penn State University entwickelten stattdessen eine Methode, um gleichzeitige Hunderte verschiedener Katalysatoren zu produzieren und zu testen. Unter Verwendung eines Tintenstrahldruckers druckten sie Punkte von Metall-Salz-Mischungen auf eine große Kohleelektrode. Jeder Punkt, der ungefähr so groß war wie ein kleines "o", enthielt eine jeweils leicht veränderte Mischung aus fünf Elementen: Platin, Ruthenium, Osmium, Iridium und Rhodium. Alle Punkte wurden dann in Katalysatoren umgewandelt. Um die katalytische Aktivität eines jeden Punktes zu überprüfen, wandelten die Forscher den elektrischen Strom auf chemischem Wege in ein optisches Signal um. An den Punkten, die Methanol oxidierten, entstand Säure, die von einem floureszierenden Indikator angezeigt wurde. Die guten Legierungen leuchteten im wahrsten Sinne des Wortes auf. Die besten Zusammenstellungen wurden dann im größeren Maßstab produziert und getestet.

Auch diese Brennstoffzellen können noch verbessert werden, doch sieht Mallouk die Ergebnisse dennoch als ermutigend an. "Wir verfügen nunmehr über eine Methode, um für die Herstellung neuer Katalysatoren eine unglaubliche Bandbreite von Verbindungen zu untersuchen. Wenn wir die Aufzeichnung über die unterschiedlichen Verbindungen und ihre jeweilige Aktivität einer mikroskopischen Analyse der Katalysatorstrukturen gegenüberstellen, sollten wir eigentlich etwas darüber erfahren können, wieso bestimmte Katalysatoren so gut funktionieren", sagt er. "Außerdem haben wir schon bei einer eher begrenzten Suche eine interessante neue Zusammensetzung gefunden. Diese Tatsache legt nahe, daß auf uns noch andere – hoffentlich bessere – Lösungen warten."

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