Wasserstoff ist ein nachhaltiger Energieträger. «Grüner», also mit erneuerbarer Energie produzierter Wasserstoff kann als Energiespeicher und Treibstoff zum Einsatz kommen. Um seine Produktion und Nutzung effizienter, langlebiger und kostengünstiger zu machen, sind neue Materialien erforderlich. So sind die Membranen, die in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zum Einsatz kommen, massgeblich mitverantwortlich dafür, wie effizient die Geräte funktionieren. Solche Membranen werden häufig aus Spezialkeramiken hergestellt.
Wie genau das Verhalten der Wasserstoffionen – der Protonen – in den Keramikmembranen mit deren Materialstruktur zusammenhängt, ist noch nicht vollumfänglich verstanden. In einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) finanzierten Projekt wollen Empa-Forschende um Artur Braun, Gruppenleiter im Labor für Hochleistungskeramik, gemeinsam mit internationalen Forschungspartnern, dieser Frage nachgehen.
Braun und sein Team beschäftigen sich schon seit 20 Jahren mit keramischen Protonenleitern. Gute Protonenleiter müssen vor allem zwei Anforderungen erfüllen: Sie müssen möglichst viele Protonen aufnehmen, und die Protonen sollten sich im Material möglichst frei bewegen können. Diese beiden Eigenschaften stehen allerdings in einem Widerspruch zueinander: Optimiert man die eine, verschlechtert sich meist die andere.
Unwegsames Gelände statt freier Fahrt
«Man kann sich die Keramikmembran wie eine Landschaft vorstellen, die von Strassen durchzogen ist. Die Protonen bewegen sich auf diesen Strassen wie Autos», vergleicht Braun. Je mehr Autos auf den Strassen unterwegs sind, desto mehr stockt der Verkehr. «Eine mehrspurige Protonen-Autobahn, auf der die Ladungen ungehindert in beide Richtungen fliessen, ist eine Wunschvorstellung», führt er aus. Allerdings ähneln die derzeit gängigen Protonenmembranen eher einem unwegsamen Gelände, das die Protonen beschwerlich über schmale Pfade durchwandern.
Doch anders als die uns vertrauten Landschaften, sind die Kristallgitter der Keramikmembranen dynamisch – sprich: veränderlich. In einer vorangegangenen Arbeit konnte Brauns Team zeigen, dass die Protonenleitfähigkeit in gut leitenden Keramiken nicht immer gleichbleibt, sondern manchmal tiefer ausfällt, manchmal aber auch Höchstwerte erreicht. «Das ist so, als würden sich die Berge und Täler auf einmal angleichen. Die Protonen bekommen für einen kurzen Moment sozusagen freie Fahrt», erklärt Braun. Auch konnte das Empa-Team zeigen, dass der Protonentransport in keramischen Leitern eng an Gitterschwingungen des Kristallgitters gekoppelt ist – und dass im Gitter eingebettete Protonen dessen Schwingungen selbst verändern können.
Die Antworten im Kristallgitter
Um diesen Effekt besser zu verstehen, widmen sich die Forschenden in ihrem aktuellen Projekt aber nicht einem guten Protonenleiter, sondern einem eher schlechten. Lanthan-Cer-Oxid (LCO) kann zwar viele Protonen aufnehmen, leitet sie aber nicht weiter. «Wenn ein schlechter Protonenleiter mit einem Stau zu vergleichen ist, liegt bei LCO ein regelrechter Verkehrsinfarkt vor», sagt Braun.
Dieser vermeintliche Nachteil bietet den Forschenden aber eine einmalige Gelegenheit, die Auswirkungen der Materialstruktur auf die Protonenleitfähigkeit zu untersuchen. Neben hochauflösender kristallographischer Strukturaufklärung mit Neutronen am Paul Scherrer Institut (PSI) nutzt das Team neue Methoden an Grossforschungsanlagen in den USA und in Japan, um die Gitterschwingungen der Kristallgitter präzise zu vermessen und die theoretischen Modelle experimentell zu überprüfen. «Wenn wir die wissenschaftlichen Grundlagen der Protonenleitfähigkeit verstehen, können wir im Idealfall sagen, wie künftige Keramiken zu besseren Protonenleitern werden, und somit effizientere Membranen für Brennstoffzellen und Elektrolyseure ermöglichen», erklärt der Physiker.
Kontakt:
Dr. Artur Braun
Hochleistungskeramik
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch
