Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Protonen durch eine Brennstoffzelle wandern

22.06.2017

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft: Mit Solarstrom wird er hergestellt, in Brennstoffzellen lässt sich Elektrizität und Wärme daraus gewinnen. Empa-Forschern ist es nun gelungen, die Wanderung von Wasserstoff-Ionen in Kristallen zu entschlüsseln – ein wichtiger Schritt zu einer effizienteren Energieumwandlung in der Wasserstoffwirtschaft der Zukunft.

Bei elektrochemischen Energiespeichern und -wandlern wie Batterien und Brennstoffzellen spielen Elektronen und Ionen als Ladungsträger die Hauptrolle. Für Brennstoffzellen ist die Protonenleitfähigkeit entscheidend; Protonen, also positiv geladene Wasserstoff-Ionen, entstehen aus Wasserstoff, mit dem die Brennstoffzelle betrieben wird.


Die Versuche wurden an Barium-Cer-Oxid durchgeführt (Perowskit-Struktur)

Empa

Der Empa-Physiker Artur Braun und Qianli Chen, Doktorandin an der ETH Zürich, führten an der «Swiss Spallation Neutron Source» (SiNQ) des Paul Scherrer Instituts (PSI) Neutronenstreuungsexperimente durch, die die Beweglichkeit von Protonen im Kristallgitter dokumentieren.

Dabei beobachteten sie, dass die Protonenbewegungen in keramischen Brennstoffzellen weit komplexeren Gesetzmässigkeiten gehorchen, als bisher angenommen: Die Wanderung der Protonen erfolgt gemäss dem so genannten Polaronen-Modell, wie die Forscher vor kurzem in dem renommierten Fachblatt «Nature Communications» berichteten.

Das Polaronen-Modell

Die Polaronen-Theorie hatte der russische Physiker und spätere Nobelpreisträger Lew Davidowitsch Landau 1933 entwickelt; sie galt lange Zeit nur für Elektronen. Das Modell beschreibt, wie Elektronen sich durch einen dielektrischen Kristall «zwängen» und dabei «störende» Atome aus ihrer Position drücken. Dies vermindert die Geschwindigkeit der Elektronen. Polaronen sind also Bewegungswellen im Kristall, deren Ausbreitung sich wie die Flugbahn eines Teilchens beschreiben lässt. Sie können abgelenkt und gespiegelt werden.

Das Elektron-Polaron ist längst eine Säule der theoretischen Physik und in der Fachwelt unbestrittene Grundlage für angewandte Modellrechnungen. Im Gegensatz dazu war die Existenz eines Wasserstoff-Polarons – also ein von Position zu Position «hüpfendes» Wasserstoff-Ion – bislang nur spekulative Theorie. Zwar nutzen Biologen das Modell hüpfender Wasserstoffatome, um bestimmte Stoffwechselprozesse zu erklären. Unter Festkörperphysikern galten Wasserstoff-Polaronen hingegen nicht als valables Erklärungmodell.

Das könnte sich nun ändern: Braun und Chen konnten an Hand von Versuchen mit Yttrium-dotierten Barium-Ceroxid- und Barium-Zirkonoxid-Kristallen die Existenz des Proton-Polarons belegen. Diese Kristalle sind in trockenem Zustand nichtleitend. Setzt man sie einer Wasserdampfatmosphäre aus, dann bilden sich im Inneren der Kristallstruktur OH-Gruppen. Freiwerdende Protonen können dann wellenartig wandern. Das Oxid wird dadurch ionisch leitend.

Hitze und Hochdruck liefern den Beweis

Den Beweis für die Wellen von Wasserstoff-Ionen fanden Braun und Chen, indem sie die Kristalle unter verschiedenen Hochdruckbedingungen und bei Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius untersuchten. Die gute Vernetzung der Empa in der Wissenschaftswelt war dabei enorm wichtig: Die Durchleuchtung der Proben geschah an der Neutronenquelle des PSI, die Hochdruckexperimente an den Kristallen gelangen zusammen mit Forschern des Instituts für Geowissenschaften der Goethe-Universität in Frankfurt am Main.

Ergebnis: Die Leitfähigkeit nimmt bei Temperaturen zwischen 220 und 520 Grad genau in dem Masse zu, wie es Modellrechnungen für die Gitterschwingungen des Kristalls vorhersagen. Die Protonen sind also zunächst im Kristallgitter gebunden und beginnen bei Erwärmung im Konzert der Gitterschwingungen durch den Kristall von einer OH-Gruppe zur nächsten zu hüpfen. Setzt man den Kristall mit einer Spezialpresse hohem Druck aus, bleibt weniger Platz für die Protonen-Sprünge – die Leitfähigkeit nimmt wieder ab. Damit ist bewiesen, dass das Polaronen-Modell nicht nur für Elektronen, sondern auch für Protonen gilt. «Und wer weiss, womöglich gilt die Theorie auch für andere Ionen wie Lithium», spekuliert Empa-Forscher Braun.

Die Erkenntnisse der Empa-Forscher könnten bald schon entscheidende Hinweise für die Materialwahl von Brennstoffzellen und Wasserstoffspeichern geben und damit die Energieversorgung der Zukunft beeinflussen. Aber auch das Verhalten von keramischen Isolatoren lässt sich nun besser abschätzen: Isolieren Sie auch an feuchter Aussenluft unter hohen Temperaturen noch gut? Oder entstehen Kriechströme, die auf Polaronen-Leitung zurückzuführen sind? Mit Brauns und Chens Arbeit, die vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) gefördert wurde, lassen sich also einige Rätsel der Materialwissenschaften lösen.

Weitere Informationen:

http://www.empa.ch/web/s604/polaronen

Rainer Klose | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Elektrische Felder steuern Nano-Maschinen 100.000-mal schneller als herkömmliche Methoden
19.01.2018 | Technische Universität München

nachricht Perowskit-Solarzellen: mesoporöse Zwischenschicht mildert Einfluss von Defekten
18.01.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie