Materialien für Wasserstoff-Verarbeitung unter der Lupe

Die Membranen, die in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zum Einsatz kommen, sind massgeblich dafür verantwortlich, wie effizient, langlebig und kostengünstig Wasserstoff produziert und verwendet werden kann. Solche Membranen werden häufig aus Spezialkeramiken hergestellt, bei denen noch nicht erschöpfend erforscht ist, wie das Verhalten der Wasserstoffionen (der Protonen) mit der Materialstruktur zusammenhängt. Eine Forschungsgruppe der Empa soll dieser Frage nachgehen und damit die Leitfähigkeit der eingesetzten Materialien verbessern.

Unwegsames Gelände statt freier Fahrt

Laut der Forschungsgruppe um Artur Braun, Gruppenleiter im Labor für Hochleistungskeramik, müssen Protonenleiter vor allem zwei Anforderungen erfüllen: Sie müssen möglichst viele Protonen aufnehmen und die Protonen sollten sich im Material möglichst frei bewegen können. «Man kann sich die Keramikmembran wie eine Landschaft vorstellen, die von Strassen durchzogen ist. Die Protonen bewegen sich auf diesen Strassen wie Autos», so Braun in der Medienmitteilung der Empa. 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. Laut Empa ähneln die derzeit gängigen Protonenmembranen eher einem unwegsamen Gelände, das die Protonen beschwerlich über schmale Pfade durchwandern.

Dynamisches Gelände

Doch anders als geografische Landschaften, sind die Kristallgitter der Keramikmembranen veränderlich. In einer vorangegangenen Arbeit konnte Brauns Team zeigen, dass die Protonenleitfähigkeit in gut leitenden Keramiken schwankend ist. Gleichzeitig konnte das Empa-Team auch zeigen, dass der Protonentransport in keramischen Leitern eng an Gitterschwingungen des Kristallgitters gekoppelt ist – und dass im Gitter eingebettete Protonen die Schwingungen selbst verändern können.