Nanoteilchen nach einfacher Rezeptur

,,Nanopartikel" fur Brennstoffzellen-Katalysatoren mit einem Durchmesser von wenigen Milliardstel Me tern konnen neuerdings erstaunlich einfach, preiswert und umweltfreundlich hergestellt werden. Entwiekelt wurde das Verfahren von der Arbeitsgruppe um Manfred T. Reetz, Direktor am Max-Planck-lnstitut fur Kohlen- forschung in Mulheim an der Ruhr. Das vielverspreehende Herstellungsprinzip konnte in Zukunft die Basis fur eine einfciche und kostengiinstige industrielle Produktion von Katalysatoren fur Brennstoffzellen liefern.

Das ist Becherglas-Chemie", ^ ^ sagt Manfred Reetz iiber das neue Verfahren. Man merkt ihm die Begeisterung des Vollblut-Che- mikers an, dem - oft nach miihsa- men Umwegen - schlieBlich das be- stechend Einfache gelungen ist. An­ders als Helmut Bonnemann erzeu- gen er und seine Mitarbeiter mit ihrem Synthese-Verfahren keine rein metallischen Nanopartikel. Ihre Na- nopartikel bestehen vielmehr aus Platinoxid (Pt0₂) oder aus einer oxi- dischen Verbindung mehrerer Edel- metalle. Erst wenn die Forscher diese Partikel auf dem Tragermaterial des Katalysators fixieren, werden, sie chemisch „reduziert", also in Metali umgewandelt.

Reine Platin-Katalysatoren werden beim Betrieb von Niedertemperatur-

Brennstoffzellen mit kohlenstoffhal- tigen Brennstoffen durch Nebenpro- dukte wie Kohlenmonoxid vergiftet. Katalysatoren aus mehreren Edelme- tallen sind gegen diese Vergiftung weniger anfallig, deshalb ist es fur die Forscher besonders interessant, sie zu optimieren.

Da neue Katalysator-Materialien ein wichtiger Schliissel zu leistungs- fahigen, alltagstauglichen Brenn­stoffzellen sind, hat das Land Nord- rhein-Westfalen die Arbeitsgruppe um den Mulheimer Institutsdirektor als forderungswiirdig eingestuft. Es unterstiitzt die Wissenschaftler im Rahmen des Verbundprojektes „Na- nomaterialien als Katalysatoren in Brennstoffzellen (NaKaB)".

Man nehme Platinsalz, Wasser, „Seife" und erwarme das Ganze - so einfach ist das Verfahren naturlich nicht. Basis-Zutaten des Hydrolyse- Verfahrens, wie es chemisch korrekt heiBt, sind das Salz des Platins, und je nach Einsatzbereich des Katalysa­tors auch die Salze anderer Edelme- talle wie Ruthenium, Osmium oder Iridium. Diese Salze haben den Vor- teil, dass sie in Wasser gelost werden konnen. Die zweite Zutat ist ein was- serlosliches Tensid, das als Stabilisa- tor wirkt. Tenside sind die wichtig- sten Bestandteile von Seifen und Waschmittel - aber naturlich wird im Mulheimer Herstellungsverfahren nicht einfach Seife eingesetzt. Durch Erhitzen auf 60 bis 80 Gfl^d Celsius in basischem Milieu entsteht eine klare, rotbraune Losung, die mehrere Monate lang stabil bleibt und aus diesem Grand problemlos gelagert, transportiert und weiterverarbeitet werden kann.

Platinoxid-Partikel mit 1,8 Nanometer Grosse

Die Losung enthalt bereits die fer- tigen oxidischen Nanopartikel aus Pt0₂. Wenn beispielsweise reines Platinsalz verwendet wurde, sind die Platinoxid-Partikel in der Losung et- wa 1,8 Nanometer groB - optimal fur den Einsatz im Katalysator. Mit die­sem Verfahren lassen sich auch Mischoxide aus Platin und Rutheni­um oder sogar drei oder vier Metal- len herstellen. Das Mischungsver- haltnis der Metalle lasst sich iiber die zugesetzten Metallsalze sehr gut steuern. Nanopartikel aus Platin und Ruthenium, die als wasserlosliches Mischoxid so hergestellt werden, sind 1,5 Nanometer groB.

Die Mulheimer Chemiker unter- suchten die Platin-Partikel gemein- sam mit Walter Vogel vom Fritz-Ha- ber-Institut der Max-Planck-Gesell- schaft in Berlin und Wolfgang Grii- nert von der Ruhr-Universitat in Bo- chum. Bei dieser Analyse stellten die Forscher uberrascht fest, dass die GroBe der Nanopartikel innerhalb einer ausgewahlten Probe kaum variiert. Fur ein so simples Verfahren ist das ungewohnlich. Die Nanopar­tikel sind schlieBlich nur knapp zwei Milliardstel Meter groB. In der „Nanowelt" kann eine solche Prazisi- on sonst meist nur mit hohem tech- nischem Aufwand erreicht werden.

Die gleichmaBige GroBe der Parti- kel erlaubt es nun, Katalysatoren mit genau reproduzierbaren Eigenschaf- ten herzustellen, was gerade im in- dustriellen MaBstab auBerordentlich wichtig ist. Die Losung der Nanopar­tikel aus Platinoxid oder aus einem Mischoxid mehrerer Metalle kann auf zwei Wegen weiterverarbeitet werden: Eine Moglichkeit ist, sie zu- erst auf den festen Trager aufzubrin- gen und dort zu fixieren. Als Trager- material wird oft „Vulcan" einge- setzt. Es besteht im Prinzip aus fei- nen Ruflkornchen, die zur porosen Elektrode zusammengepresst wer­den. AnschlieBend werden die oxidi- schen Nanopartikel durch Wasser- stoffgas chemisch reduziert. Danach liegen sie als reine Metallpartikel auf der Oberflache des Tragers und sind katalytisch aktiv. Der Katalysator ist somit einsatzbereit. Alternativ kon- nen die Nanopartikel zuerst reduziert und anschlieBend auf dem Trager fixiert werden.

Verklumpung

Ausgeschlossen

Das Beispiel im Bild zeigt oben Nanopartikel aus einem Mischoxid von Platin und Ruthenium, wie sie aus der Losung kommen. Sie sind et- wa 1,5 Nanometer grofl. Unten sieht man sie als reine Metallpartikel, wie sie nach der Reduktion vorliegen. Sie sind dann etwa 1,7 Nanometer groB. Auf dem Bild ist gut zu erkennen, dass die Reduktion zu keiner uner- wiinschten Agglomeration, also „Verklumpung" zu groBeren Teilchen fiihrt. Auch die Fixierung auf dem Vulcan-Trager hat keine Agglomera­tion zur Folge.

Noch bedarf es weiterer Grund- lagenforschung, bis auf der Basis des Miilheimer Hydrolyse-Konzepts Brennstoffzellen-Katalysatoren in- dustriell gefertigt werden konnen. Da die Methode einfach, billig und umweltfreundlich ist und dabei gleichmaBige Qualitat liefert, erfullt sie im Prinzip jedoch bereits jetzt wesentliche Voraussetzungen fur die GroBserienproduktion von leistungs- fahigen Niedertemperatur-Brenn- stoffzellen. Roland Wengenmayr