Brennstoffzellen gelten als Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Doch teures Platin macht sie für den Massenmarkt zu kostspielig. Ein Forscherteam aus Japan hat jetzt mithilfe von KI vielversprechende Ersatzmaterialien identifiziert und dabei ein jahrzehntealtes Chemie-Dogma widerlegt. Ihre Erkenntnis: Doppelatom-Katalysatoren funktionieren nach völlig anderen Regeln als bisher angenommen.
Forscher der Tohoku Universität haben im Rahmen einer systematischen Untersuchung mehr als 200 Doppelatom-Katalysatoren analysiert, um die verborgenen Mechanismen der Sauerstoffreduktionsreaktion zu entschlüsseln. Ihr Ziel: leistungsfähigere und günstigere Brennstoffzellen.
Dabei griff das Team auf umfangreiche Daten einer digitalen Plattform namens Digital Catalysis zurück. Mithilfe von modernen theoretischen Simulationen und maschinellem Lernen filterte ein Vorhersagemodell aus insgesamt 216 Systemen zunächst 42 Varianten mit einem spezifischen Dissoziationsmechanismus heraus. Am Ende identifizierte das Vorhersagemodell 14 potenzielle Doppelatom-Katalysatoren mit einer hohen prognostizierter Aktivität.
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Wie die neuen Katalysatoren das alte Vulkan-Modell ablösen
Die wichtigste Kernaussage der Studie bricht mit einem langjährigen Dogma der Chemie. Denn bisher beschrieben Forscher die Aktivität solcher Systeme fälschlicherweise durch das traditionelle Einzelgipfel-Vulkan-Modell, das von Einzelatom-Katalysatoren bekannt ist. Die neue Arbeit zeigt jedoch, dass bei Doppelsystemen das Prinzip des sogenannten Dual-Sabatier-Optima greift.
Da sich der geschwindigkeitsbestimmende Schritt im Prozess dynamisch verändert, teilt sich die katalytische Aktivität auf zwei getrennte, optimale Spitzenregionen auf. Dieser Unterschied entsteht, da primär ein Dissoziationsmechanismus die Reaktionen reguliert.
Effiziente Brennstoffzellen durch smarte Doppelatom-Katalysatoren
Einzelatome folgen hingegen meist einem Assoziationsmechanismus. Das neu nachgewiesene Prinzip erweist sich als universell anwendbar. Es gilt für eine Vielzahl von Systemen, die Übergangsmetalle, metallähnliche Elemente oder auch Nichtmetallatome enthalten, und bietet damit eine völlig neue Grundlage für das Materialdesign. Studienautor Hao Li betonte die Tragweite dieser neuen Designregeln für die Praxis:
Lange Zeit gingen Forscher davon aus, dass Doppelatom-Katalysatoren denselben Aktivitätsregeln folgen wie Einzelatom-Katalysatoren. Unsere Arbeit zeigt, dass völlig andere Mechanismen entstehen können, wenn zwei Atome zusammenarbeiten, was neue Möglichkeiten für das Design hocheffizienter Materialien für saubere Energietechnologien eröffnet.
In Zukunft soll dieser KI-gestützte Ansatz auf noch komplexere, multimetallische Katalysatorsysteme ausgeweitet werden. Die langfristige Vision des Forschungsteams umfasst den Aufbau eines vollständig autonomen digitalen Frameworks auf der Plattform, das lernende Software-Agenten und elektrochemische Simulationen vereint.
Durch das rasche Filtern optimaler Strukturen lässt sich die Entdeckungszeit neuer Materialien drastisch verkürzen, um teures Platin zu ersetzen und den Übergang zu grüner Energie zu beschleunigen.
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