Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie sich Reaktionen in einer Brennstoffzelle auf Nanometerebene beschreiben lassen

22.12.2011
Internationales Forscherteam mit Heidelberger Beteiligung entwickelt eine neue Mikroskopietechnik

Erstmals lassen sich die physikalisch-chemischen Reaktionen einer Brennstoffzelle detailliert auf Nanometerebene beobachten und beschreiben.

Möglich wird dies durch eine neue Mikroskopietechnik, die ein internationales Wissenschaftlerteam mit dem Heidelberger Mathematiker Dr. Francesco Ciucci sowie Forschern aus den USA und der Ukraine entwickelt hat. Damit kann der Prozess der Sauerstoffreduktion, der für die Energiegewinnung in einer Brennstoffzelle von Bedeutung ist, mit der Auflösung von einem Millionstel eines Millimeters erfasst werden. Die Forschungsergebnisse sollen zur Realisierung effizienter und leistungsstarker Wasserstoff-Brennstoffzellen beitragen.

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffes wie etwa Wasserstoff in elektrische Energie um. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist aus zwei gegenüberliegenden Elektroden aufgebaut, die durch einen Ionenleiter getrennt sind. Die Gewinnung von elektrischer Energie erfolgt durch Ionenaustausch zwischen den beiden Elektroden: Der in der Luft gelöste Sauerstoff reagiert mit dem von außen zugeführten Wasserstoff. Bei dieser sogenannten Sauerstoffreduktion spielt ein Katalysator – häufig ist dies das seltene und teure Edelmetall Platin – als Reaktionsbeschleuniger eine wesentliche Rolle. Dabei ist es der Prozess der Sauerstoffreduktion, der nach den Worten von Francesco Ciucci den limitierenden Faktor für die Langlebigkeit und Effizienz von Brennstoffzellen darstellt.

„Um den Ionenaustausch zwischen den Elektroden optimieren zu können, müssen grundlegende Fragen beantwortet werden: Wie und wo genau findet die Reduktion des Sauerstoffs statt und auf welche Weise funktioniert Platin als Katalysator? Zur Entschlüsselung der Reaktionsdynamik hat uns bisher jedoch ein geeignetes Untersuchungsinstrument gefehlt“, sagt der Mathematiker, der seine Forschungen als Stipendiat an der Heidelberger Graduiertenschule der mathematischen und computergestützten Methoden für die Wissenschaften durchgeführt hat. So hat Dr. Ciucci zusammen mit Dr. Amit Kumar vom Oak Ridge National Laboratory in den USA und Dr. Anna Morozovska von der National Academy of Sciences in der Ukraine eine neue Mikroskopietechnik entwickelt, mit der der Ionenaustausch im Nanometerbereich erfasst werden kann. Das Verfahren wird als „Electrochemical Strain Microscopy“ (ESM) bezeichnet.

Die ESM-Technik basiert auf einem mathematischen Modell, einer sogenannten partiellen Differentialgleichung, die die Bewegung des Sauerstoffes in verschiedenen Materialien beschreibt. Durch diese mathematische Beschreibung konnten die Messdaten der „Electrochemical Strain Microscopy“ auf dem Computerbildschirm visualisiert werden. „Dabei hat sich gezeigt, dass die Katalysatorschicht aus 50 Nanometer großen Platinpartikeln nicht überall gleichmäßig viel Ionenaustausch zulässt“, sagt Dr. Ciucci. Die innovative Mikroskopietechnik soll nicht nur zur Weiterentwickelung von Brennstoffzellen eingesetzt werden. Mit ihr können nach den Worten des Wissenschaftlers die chemischen Vorgänge an allen Oberflächen erforscht werden, bei denen die Materialien durch Ionenaustausch miteinander interagieren.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ veröffentlicht.

Originalpublikation:
A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin and S. Jesse: Measuring oxygen reduction/evolution reactions on the nanoscale. Nature Chemistry 3, 707-713 (2011), doi:10.1038/nchem.1112
Hinweis an die Redaktionen:
Digitales Bildmaterial ist in der Pressestelle erhältlich.
Kontakt:
Sabine Kluge
Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen
Telefon (06221) 54-8854
sabine.kluge@iwr.uni-heidelberg.de
Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-heidelberg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Stammzellen verlassen Blutgefäße in strömungsarmen Zonen des Knochenmarks
17.02.2017 | Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster

nachricht Der Entropie auf der Spur
17.02.2017 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Im Focus: Breakthrough with a chain of gold atoms

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

Im Focus: Hoch wirksamer Malaria-Impfstoff erfolgreich getestet

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Im Focus: Sensoren mit Adlerblick

Stuttgarter Forscher stellen extrem leistungsfähiges Linsensystem her

Adleraugen sind extrem scharf und sehen sowohl nach vorne, als auch zur Seite gut – Eigenschaften, die man auch beim autonomen Fahren gerne hätte. Physiker der...

Im Focus: Weltweit genaueste und stabilste transportable optische Uhr

Optische Strontiumuhr der PTB in einem PKW-Anhänger – für geodätische Untersuchungen, weltweite Uhrenvergleiche und schließlich auch eine neue SI-Sekunde

Optische Uhren sind noch genauer als die Cäsium-Atomuhren, die gegenwärtig die Zeit „machen“. Außerdem benötigen sie nur ein Hundertstel der Messdauer, um eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

ANIM in Wien mit 1.330 Teilnehmern gestartet

17.02.2017 | Veranstaltungen

Ökologischer Landbau: Experten diskutieren Beitrag zum Grundwasserschutz

17.02.2017 | Veranstaltungen

Von DigiCash bis Bitcoin

16.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Stammzellen verlassen Blutgefäße in strömungsarmen Zonen des Knochenmarks

17.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

LODENFREY setzt auf das Workforce Mangement von GFOS

17.02.2017 | Unternehmensmeldung

50 Jahre JULABO : Erfahrung – Können & Weiterentwicklung!

17.02.2017 | Unternehmensmeldung