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 Transparentes, leitfähiges Netz aus verkapselten Silbernanodrähten
31.07.2015 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Superschneller Wellenritt im Kristall: Elektronik auf Zeitskala einzelner Lichtschwingungen möglich
30.07.2015 | Universität Regensburg

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: Gefangen in Ruhelosigkeit

Mit ultrakalten Atomen lässt sich ein neuer Materiezustand beobachten, in dem das System nicht ins thermische Gleichgewicht kommt.

Was passiert, wenn man kaltes und heißes Wasser mischt? Nach einer Weile ist das Wasser lauwarm – das System hat ein neues thermisches Gleichgewicht erreicht....

Im Focus: Quantum Matter Stuck in Unrest

Using ultracold atoms trapped in light crystals, scientists from the MPQ, LMU, and the Weizmann Institute observe a novel state of matter that never thermalizes.

What happens if one mixes cold and hot water? After some initial dynamics, one is left with lukewarm water—the system has thermalized to a new thermal...

Im Focus: Superschneller Wellenritt im Kristall: Elektronik auf Zeitskala einzelner Lichtschwingungen möglich

Physikern der Universitäten Regensburg und Marburg ist es gelungen, die von einem starken Lichtfeld getriebene Bewegung von Elektronen in einem Halbleiter in extremer Zeitlupe zu beobachten. Dabei konnten sie ein grundlegend neues Quantenphänomen entschlüsseln. Die Ergebnisse der Wissenschaftler sind jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht worden (DOI: 10.1038/nature14652).

Die rasante Entwicklung in der Elektronik mit Taktraten bis in den Gigahertz-Bereich hat unser Alltagsleben revolutioniert. Sie stellt jedoch auch Forscher...

Im Focus: On the crest of the wave: Electronics on a time scale shorter than a cycle of light

Physicists from Regensburg and Marburg, Germany have succeeded in taking a slow-motion movie of speeding electrons in a solid driven by a strong light wave. In the process, they have unraveled a novel quantum phenomenon, which will be reported in the forthcoming edition of Nature.

The advent of ever faster electronics featuring clock rates up to the multiple-gigahertz range has revolutionized our day-to-day life. Researchers and...

Im Focus: Erster Nachweis von Lithium in einem explodierenden Stern

Erstmals konnte das chemische Element Lithium in der ausgestoßenen Materie einer Nova nachgewiesen werden. Beobachtungen von Nova Centauri 2013 mit Teleskopen des La Silla-Observatoriums der ESO und in der Nähe von Santiago de Chile helfen bei der Aufklärung des Rätsels, warum so viele junge Sterne mehr von diesem Element enthalten als erwartet. Diese Entdeckung liefert ein seit langem fehlendes Teil im Puzzle der chemischen Entwicklungsgeschichte unserer Galaxie und ist ein großer Fortschritt für das Verständnis des Mischungsverhältnisses der chemischen Elemente in den Sternen unserer Milchstraße.

Das leichte chemische Element Lithium ist eines der wenigen Elemente, das nach unserer Modellvorstellung auch beim Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Türme und Maste aus Stahl – Neues aus Forschung und Anwendung

31.07.2015 | Veranstaltungen

Tagung „Brandschutz im Tank- und Gefahrgutlager“ am 16. November 2015 im Essener Haus der Technik stellt praktische Lösungen vor

30.07.2015 | Veranstaltungen

12. BMBF-Forum für Nachhaltigkeit: Green Economy, Energiewende und die Zukunft der Städte

30.07.2015 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wiederaufladbare Batterien machen sich breit

31.07.2015 | Seminare Workshops

Alles zur Kryotechnik: HDT bietet Seminar zum „Kryostatbau“ an

31.07.2015 | Seminare Workshops

Erster Zug von Siemens für Thameslink‑Strecke in UK angekommen

31.07.2015 | Verkehr Logistik