Eisenkatalysatoren machen Wasserstoff‑Brennstoffzellen praktisch

Wasserstoff-Brennstoffzellen: Eisenkatalysatoren als Platin-Alternative

Wasserstoff könnte theoretisch der perfekte Brennstoff für eine grüne Zukunft sein: Er kann aus erneuerbarem Strom erzeugt werden, erzeugt bei der Nutzung keine Schadstoffe und erfordert nur Wasser als Rohstoff für seine Herstellung.

Allerdings ist die kostengünstige Produktion von Wasserstoff nach wie vor eine Herausforderung. Alternative Systeme, wie die gleichzeitige Mitproduktion von Süßwasser, neue Wasserstoffkatalysatoren, die keine Edelmetalle benötigen, oder Photokatalyse, werden erforscht.

Ein weiterer Faktor, der die kommerzielle Rentabilität von Wasserstoff mindert, liegt in der Verbrauchsphase. Wird er nicht in einem Verbrennungsmotor (ähnlich einem Verbrennungsmotor, jedoch mit geringerer Effizienz) eingesetzt, kommen Brennstoffzellen zum Einsatz, die in der Regel teures Platin als Katalysator benötigen.

Dies macht Brennstoffzellen nicht nur teurer, sondern könnte auch die Massenakzeptanz von Wasserstoff als Brennstoff behindern, da Platin und verwandte Metalle wie Palladium auf der Erde äußerst selten sind, sodass eine erhebliche Steigerung ihrer Produktion kaum realisierbar ist.

Glücklicherweise kommen Alternativen, dank der Arbeit chinesischer Wissenschaftler an zahlreichen führenden Forschungseinrichtungen des Landes: der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Shenzhen University (China), der Southeast University (China), der Tsinghua University, der Beijing University of Chemical Technology, der City University of Hong Kong und der Xiamen University.

Sie veröffentlichten¹ die Entdeckung eines neuen eisenbasierten Katalysators für Brennstoffzellen in der renommierten Fachzeitschrift Nature, mit dem Titel „Säurehaltige Sauerstoffreduktion durch einatomige Fe‑Katalysatoren auf gekrümmten Trägern“.

Wie Brennstoffzellen funktionieren

Die Komponenten von Brennstoffzellen, die aus dem Verbrauch von Wasserstoff Strom erzeugen, sind die Protonenaustauschmembranen (PEMs).

Brennstoffzellen funktionieren, indem sie die Umwandlung von Wasserstoff (H₂) in Protonen (H+‑Ionen) + Elektronen katalysieren, wodurch ein elektrischer Strom entsteht. Wie bereits erwähnt, wird hierfür traditionell Platin verwendet, ein teures Metall.

Quelle: Wikipedia

Stattdessen haben die chinesischen Wissenschaftler ein neues Katalysator-Design entwickelt, beschrieben als „innere Aktivierung, äußerer Schutz“, das auf einfachem Eisen als Katalysator basiert.

Eisenbasierte Wasserstoffkatalysatoren

Herausforderungen von Eisenkatalysatoren in Brennstoffzellen

Die Idee, einen Eisenkatalysator zu verwenden, der von Natur aus Sauerstoff (eine Neigung, die wir allgemein als „Rost“ kennen) aufnehmen und an die Wasserstoffionen binden kann, ist nicht neu.

Bisher wurde dies jedoch durch unerwünschte chemische Reaktionen behindert, insbesondere durch die starke Adsorption von oxygenierten Reaktionszwischenprodukten und die Demetallisierung von Eisenatomen. So bleiben die Eisenatome entweder „stecken“ an sauerstoffreichen Verbindungen oder sie können nicht mehr als Katalysator wirken.

Um diese unerwünschten Reaktionen zu verhindern, entwickelten die Forscher eine einzigartige Nanostruktur für den Eisenkatalysator.

Nanostrukturierte hohle Eisenkatalysatoren

Traditionelle Eisenkatalysatoren basieren auf einer äußeren Oberfläche aus Graphen- oder Kohlenstoffträgern, was die Menge an verfügbarem Eisen für die gewünschten Reaktionen mit Wasserstoff einschränkt.

Stattdessen wurde eine innere, gekrümmte Oberfläche mit einem einatomigen Eisenkatalysator‑Standort geschaffen.

Jeder dieser Standorte befindet sich in einer nanokonfinierten hohlen Mehrschalenstruktur (HoMS). Diese Nano‑HoMS sind über und an einer 2‑D‑Kohlenstoffschicht verteilt, ähnlich wie Graphen.

Quelle: Research Gate

Die nano‑hohlen Partikel haben eine Größe von etwa 10 nm × 4 nm und bestehen aus mehreren Schalen, wobei Eisenatome in den inneren Schichten mit hoher Dichte konzentriert sind. Synchrotron‑Röntgenabsorptionsspektroskopie zeigte, dass diese inneren Fe‑Atome zu 57,9 % in einem katalytisch aktiven Zustand vorliegen.

Quelle: Research Gate

Leistungssteigerungen mit Eisenkatalysatoren

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Die Nanostruktur schwächt die Bindungsstärke der oxygenierten Reaktionszwischenprodukte, wodurch eine wesentliche Einschränkung eisenbasierter Katalysatoren beseitigt wird.

Quelle: Research Gate

Sie reduziert zudem die Produktionsrate des Hydroxylradikals (•OH), eines sehr reaktiven und schädlichen Moleküls, das bei Sauerstoff‑Wasserstoff‑Reaktionen stets ein potenzielles Problem darstellt.

Das Endergebnis ist eine Brennstoffzelle mit Eisenkatalysatoren, die in Bezug auf Spitzen‑Leistungsdichte und Stromdichte (rote Sterne unten) radikal überlegen ist, mit einer Rekord‑Leistungsdichte von 0,75 W cm⁻² bei 1,0 bar H₂‑Luft.

Quelle: Research Gate

Dieses Katalysator‑Design ist zudem deutlich langlebiger als die vorherige Generation eisenbasierter Katalysatoren und behält nach über 300 Betriebsstunden eine Effizienz von 86 % bei.

Quelle: Research Gate

Fazit

Eine Wasserstoffwirtschaft wird nur möglich sein, wenn die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen gelöst sind, mit leicht herstellbaren Katalysatoren, die auf reichlich vorhandenen und günstigen Materialien basieren.

In diesem Kontext wäre Eisen, als eines der am meisten produzierten und günstigsten Metalle der Erde, ein idealer Kandidat.

Das bedeutet auch, dass die relativ schnelle Effizienzverschlechterung im Laufe der Zeit (die wahrscheinlich noch über das erste experimentelle Design hinaus verbessert werden kann) weniger problematisch wäre, und der Katalysatoranteil der Brennstoffzelle einfach regelmäßig durch einen neuen ausgetauscht werden könnte, wobei der gebrauchte recycelt oder zu seiner ursprünglichen Leistung regeneriert wird.

Investitionen in Brennstoffzellentechnologie

Plug Power (PLUG ) ist ein führendes Unternehmen im Bereich grüner Wasserstoff, mit Fokus auf Brennstoffzellen. Das Unternehmen meldet über 72.000 installierte Brennstoffzellen an mehr als 300 Standorten und hat einen großen Fußabdruck in Materialhandhabungsflotten. Insbesondere versorgen seine Brennstoffzellen über 40.000 Gabelstapler, und die Umsätze sind seit 2013 um das Achtfache gestiegen.

Es ist zudem aktiv beim Aufbau von Wasserstoffinfrastruktur, wie Wasserstoffproduktion, Logistik, großskaliger Stromerzeugung und Lieferungen.

Quelle: Plug Power

Das Unternehmen strebt eine Skalierung an, um die Wasserstoffproduktionskosten von 10 $/kg auf 4 $/kg zu senken, während die Produktion bis 2027 um das 14‑fache gesteigert wird. Es soll zudem den gesamten extern bezogenen Wasserstoff ersetzen, der häufig mit Verlust an Kunden weiterverkauft wurde.

Aufgrund der massiven Investitionen, die die Produktionskapazität seit 2020 um das 19‑fache erhöht haben, ist das Unternehmen noch nicht profitabel, aber Fortschritte bei der Eigenbeschaffung von Wasserstoff sollten dies ändern.

Das Unternehmen betrachtet seine Lösungen entweder als direkten Mobilitätsbrennstoff oder als Ergänzung zu Elektrofahrzeugen, da Wasserstoff die Belastung des Netzes während der Spitzenladezeiten von Elektrofahrzeugen reduzieren kann, die nicht mit den Tagesproduktionszeiten erneuerbarer Energien übereinstimmen.

Quelle: Plug Power

Als großer Hersteller von Brennstoffzellen würde Plug Power stark von einer Umstellung auf eine wasserstoffbasierte Wirtschaft profitieren. Ein günstigerer Brennstoffzellenkatalysator könnte in seine Designs integriert werden und die Akzeptanz von Wasserstofffahrzeugen sowie die großskalige Energiespeicherung erhöhen.

Damit ist Plug Power eine gute Aktie, um auf die allgemeine Hinwendung zu Wasserstoff zu setzen, da die Nachfrage nach seinen Brennstoffzellen jedes Mal steigt, wenn eine günstigere Methode zur Produktion, Speicherung, zum Transport oder zur Nutzung von Wasserstoff erfunden wird.

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu Plug Power Inc (PLUG) Aktie

Studie referenziert

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Säurehaltige Sauerstoffreduktion durch einatomige Fe‑Katalysatoren auf gekrümmten Trägern. Nature 644, 668–675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}