Graphitische, poröse Kohlenstoffe für Katalysatoren mit erhöhter Stabilität in Niedertemperatur-Brennstoffzellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bastian Etzold
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284032131

Innerhalb der Energiewende kommt der Niedertemperatur-Brennstoffzelle (NTBZ) eine enorme Bedeutung zu, da durch diese die Rückverstromung von nachhaltig erzeugtem Wasserstoff ermöglicht wird. Herausforderungen liegen vor allem in der Aktivität und Stabilität des Elektrokatalysators. Für diese Schlüsselkomponente werden meist Kohlenstoffmaterialien als Träger verwendet, auf denen z.B. Platin als Aktivkomponente dispergiert wird. Deutliche Aktivitätssteigerungen konnten durch strukturelle Optimierung der Aktivkomponente z.B. als PtNi Legierungen erzielt werden. Bzgl. der Stabilität zeigt der Kohlenstoffträger einen entscheidenden Einfluss. Nicht kohlenstoffbasierte Träger können einige Nachteile, wie bspw. die Oxidationsstabilität, umgehen, bringen jedoch auch neue mit sich, wie z.B. eine geringe Leitfähigkeit. Eine außerordentliche Stabilität als Elektrokatalysatorträger wurde kürzlich für poröse, graphitische Hohlkugeln berichtet. Dies kann auf die Kombination einer inneren Porosität mit Mesoporen in der Größe der Platinpartikel und der graphitischen Struktur des Kohlenstoffes zurückgeführt werden. Verglichen mit den üblicherweise verwendeten Industrierußen mit äußerer Porosität kann durch die innere Porosität das Aktivmetall 'gefangen' werden. Dies zeigt, dass für Kohlenstoff der Stabilitätsnachteil deutlich vermindert werden und das Potential für die NTBZ genutzt werden kann. In diesem Vorhaben werden diese beschriebenen Erkenntnisse aufgegriffen, um neue mesoporöse, graphitische Kohlenstoffe mit innerer Porosität als stabile Kohlenstoffträger für Elektrokatalysatoren in der NTBZ zu entwickeln. Dies geschieht auf Basis von karbidabgeleiteten Kohlenstoffen, welche durch die Reaktivextraktion von Karbiden hergestellt werden. Diese Materialien scheinen besonders geeignet zu sein, da durch die Auswahl des Ausgangskarbides und die Extraktionstemperatur die entscheidenden Parameter der Porenstruktur und Graphitisierung eingestellt werden können. Zusätzlich entstehen sehr reine Kohlenstoffe bzgl. des Aschegehaltes sowie der Oberflächenfunktionalisierung und zeichnen sich die Materialien durch hohe Reproduzierbarkeit aus. Vorarbeiten haben gezeigt, dass mesoporöse und graphitische Kohlenstoffe bei Extraktionstemperaturen über 1200 °C erzielt werden. Im Vorhaben sollen in der Graphitisierung und Porengröße variierte Träger hergestellt und die homogene Dispergierung von ausreichenden Mengen an Platin entwickelt werden. Nach einem Anwachsen der Platincluster auf die Porengrößen durch nachträgliches Sintern sollen die Katalysatoren in Halbzellentests bzgl. ihrer Aktivität und Stabilität in der Sauerstoffreduktionsreaktion getestet werden. Neben den elektrochemischen Tests trägt vor allem die TEM-Charakterisierung der Katalysatoren vor und nach der Anwendung zum Erkenntnisgewinn bei. In Kooperation sollen optimierte Materialien auch in vollen Brennstoffzellen bzgl. ihrer Langzeitstabilität getestet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen