Ultradünne Platinschichten

Eine neue Herstellungstechnik könnte die Menge an Edelmetall reduzieren, die bei der Produktion von Brennstoffzellen benötigt wird.

Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb setzen sich auch deshalb nur schleppend durch, weil die dafür notwendigen Antriebsaggregate noch sehr teuer sind. Das liegt unter anderem daran, dass die chemischen Reaktionen in den zur Stromerzeugung notwendigen Brennstoffzellen Edelmetalle als Katalysatoren benötigen. Eine neue Methode zur schnellen und kostengünstigen Aufbringung ultradünner Schichten aus Platin könnte das ändern.

Aktuelle Produktionsprozesse zur Herstellung der Edelmetallüberzüge sind langsam und kompliziert – und werden deshalb trotz des Sparpotenzials selten verwendet. Der neue Ansatz ist dagegen "enorm billig und einfach zu implementieren", meint Thomas Moffat, Metallurgieforscher beim US-National Institute of Standards and Technology (NIST), der das neue Verfahren entwickelt hat.

Der Ansatz könnte es möglich machen, Brennstoffzellen mit deutlich weniger Platin bei ähnlich gutem Wirkungsgrad wie bisher zu bauen. Der Autohersteller General Motors, der an Brennstoffzellenfahrzeugen arbeitet, wollte nicht kommentieren, wie viel Platin aktuell in seinen Prototypautos steckt. Charles Freese, Generaldirektor bei GM Fuel Cells, hält die Idee von Moffat aber grundsätzlich für spannend: "Sie könnte dazu beitragen, Brennstoffzellenfahrzeuge wirtschaftlich zu machen."

Moffat und seine Kollegen am NIST zeigten, dass Platin in einer Lösung auf einer Goldoberfläche aufgebracht werden kann – und zwar in Schichten mit einer Dicke von nur einem Atom. Dabei wurde alternierend positive und negative Spannung angelegt.

Die negative Spannung löst zwei Reaktionen aus: Zuerst bildet sich eine atomdicke Schicht Platin. dann bildet sich eine Wasserstoffschicht, die dafür sorgt, dass sich weiteres Platin anreichert. Schaltet man auf negative Spannung um, wird der Wasserstoff verbrannt, was die Oberfläche wieder darauf vorbereitet, eine neuerliche atomdicke Platinschicht zu akzeptieren – wenn wieder negative Ladung angelegt wird. Auf diese Art bauten die Forscher Schichten jeder gewünschten Atomdicke auf.

Die Technik ist außerdem ein Vielfaches schneller als ältere Verfahren wie die Aufbringung ultradünner Materialschichten durch Verdampfen, erläutert Jay Switzer, Professor für Chemie an der Missouri University of Science and Technology, der die Studie kennt. Die Methode sei auch einfacher als eine weitere Alternativtechnik, bei der zunächst Kupfer aufgebracht wird, um dann über eine chemische Reaktion durch Platin ersetzt zu werden.

Die NIST-Forscher glauben, dass ihr Prozess mit anderen Metallen wie etwa Nickel funktionieren kann. Die Genauigkeit könnte auch neuartige Katalysatoren aus mehreren Materialien ermöglichen. Zudem besitzen nur atomdicke Schichten eines Metalls ganz besondere Eigenschaften, die es zu untersuchen gilt, sagt Moffat. (bsc)