Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Theorie trifft Experiment: Grundlegendes zu Brennstoffzellen und Batterien der Zukunft

23.11.2012
Brennstoffzellen, die Wasser- und Sauerstoff in Energie umwandeln, gelten als umweltfreundliche „Kraftwerke“ der Zukunft.

Damit die Energiewandler künftig möglichst effizient Elektroautos oder etwa Smartphones antreiben können, wird intensiv in diesem Bereich geforscht – vor allem zu „sauren“ Brennstoffzellen.

Wissenschaftler um Professor Wolfgang Schmickler und Dr. Elizabeth Santos vom Ulmer Institut für Theoretische Chemie haben sich in den letzten zwei Jahren vor allem mit „alkalischen Brennstoffzellen“ beschäftigt.

Im Gegensatz zu ihrem sauren Pendant, bei dem Platin der beste Katalysator ist, reicht im alkalischen Medium zum Beispiel Gold aus, um den elektrochemischen Prozess in Gang zu setzen. „Das Einzige, was fehlt, ist eine leistungsfähige Membran. Sobald diese gefunden ist – und dazu gibt es sehr vielversprechende Ansätze - wird sich die alkalische Brennstoffzelle durchsetzen“, mutmaßen Santos und Schmickler. Sie sei billiger, effektiver, und lebe länger.
Grundsätzliche, theoretische Überlegungen zu alkalischen und sauren Zellen haben die Ulmer Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International“ veröffentlicht. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Sauerstoffreduktion, Dieser Schritt läuft in vielen aktuellen Brennstoffzellen zu langsam und somit ineffizient ab.

Bei der Brennstoffzelle sind zwei Elektroden über einen äußeren Stromkreis verbunden und mit einer dünnen Schicht überzogen, die als Katalysator elektrochemische Prozesse antreibt. Aus Wasserstoff und Sauerstoff, die den Elektroden zugeführt werden, entstehen letztlich Energie und Wasser. Beide Elektroden trennt eine für Ionen durchlässige Membran, die verhindert, dass sich Wasserstoff und Sauerstoff mischen, bevor sie reagieren.

Warum aber ist ein verhältnismäßig billiger Katalysator wie Gold im alkalischen Milieu ausreichend? Und wieso kann er nicht im sauren Milieu funktionieren? Das sind Fragen, die Santos und Schmickler mithilfe der von ihnen entwickelten „Theorie der Elektrokatalyse“ beantwortet haben. Um die Geschwindigkeit von Reaktionen in Lösungen nachzuvollziehen, haben sie umfangreiche quantenstatistische Berechnungen mit der „Density Functional-Theory“ kombiniert. Dabei handelt es sich um ein Programm zur Berechnung chemischer Eigenschaften.

Mit interessanten Ergebnissen: „Im alkalischen Milieu ist der erste Reaktionsschritt thermodynamisch günstig. Man braucht gar keinen Katalysator, die Sauerstoffreduktion läuft wenige Ångström von der Elektrode entfernt von alleine ab. Im Sauren hingegen ist sie nur effizient, wenn ein guter Katalysator dafür sorgt, dass der Sauerstoff im Vorfeld adsorbiert wird“, erklären die Wissenschaftler. Andernfalls sei der erste Schritt energetisch zu ungünstig.

Diese Erkenntnisse können auch auf neuartige Lithium-Luft-Batterien übertragen werden. Da das Potential von Lithium-Ionen-Batterien als weitgehend ausgereizt gilt, steht diesen Batterien mit einer theoretisch viel höheren Energiedichte wohl eine große Zukunft bevor. „Unsere theoretischen Überlegungen könnten experimentell arbeitenden Kollegen wichtige Hinweise zur Konstruktion effektiver Batterien geben und viel Zeit sowie Geld sparen“, sagt Wolfgang Schmickler.

Der jetzt veröffentlichte Fachartikel ist im Zuge der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Forschergruppe „Theory meets Experiment: Elementary Steps in Electrocatalysis“ entstanden. Neben Schmickler und Santos waren Forscher aus Argentinien und Russland an den theoretischen Überlegungen beteiligt. Unterstützt wurden sie zudem von der argentinischen Forschungsgemeinschaft Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), von der Europäischen Union (Projekt ELCAT) und dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD).
Der Artikel hat in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International“ den Status eines „Very Important Papers“, also eines bedeutenden Beitrags.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Wolfgang Schmickler, Tel.: 0731 50-31340
Dr. Elizabeth Santos, Tel.: 0731 50-31342

Paola Quaino, Noelia B. Luque, Renat Nazmutdinov, Elizabeth Santos, and Wolfgang Schmickler. Why is Gold such a Good Catalyst for Oxygen Reduction in Alkaline Media? Angewandte Chemie International. DOI: 10.1002/anie.201205902 und 10.1002/ange.201205902

Annika Bingmann | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-ulm.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Körperenergie als Stromquelle
22.08.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht „Cool“ bleiben im Büro: Wasser als Kältemittel im Alltag bald vor Durchbruch?
22.08.2017 | Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten

22.08.2017 | Informationstechnologie

Globale Klimaextreme nach Vulkanausbrüchen

22.08.2017 | Geowissenschaften

RWI/ISL-Containerumschlag-Index erreicht neuen Höchstwert

22.08.2017 | Wirtschaft Finanzen