Defekte Graphen-Schichten als selektive Membranen

Haltbarkeit und Effizienz von Brennstoffzellen sind eng verknüpft mit der Qualität der verwendeten Membranen. Eine Alternative zu dem oft genutzten Spezialkunststoff Nafion könnten extrem dünne Schichten aus Graphen bieten. Eine Arbeitsgruppe um Franz Geiger von der Northwestern University in Evanston entdeckte nun, dass gerade nicht ganz perfekte Graphen-Schichten mit Lücken im sonst regelmäßigen Kohlenstoff-Netz sehr gut für einen selektiven Protonentransport geeignet sein könnten. Ihre Entdeckung könnte die Entwicklung von effizienten Brennstoffzellen mit Graphen-Membranen beschleunigen.

Wie die Simulationen des Teams zeigen, können Protonen bei Zimmer­temperatur nicht durch Graphen tunneln. Zwar sind die Öffnungen in der Graphen-Schicht geometrisch groß genug für die positiv geladenen Teilchen. Doch verhindert bei Raumtemperatur eine allzu hohe Potenzial­barriere den Transfer durch die Membran. Mithilfe von Computer­simulationen und ersten Experimenten suchten die Forscher nach einer Lösung für dieses Problem. Hochauflösende Transmissions-Elektronenmikroskopie lieferte schließlich den entscheidenden Hinweis: Gerade nicht ganz perfekte Graphen-Schichten mit wenigen Fehlstellen ermöglichen auch bei Raumtemperatur den für Brennstoffzellen gewünschten, selektiven Protonentransfer.

Nach ersten vielversprechenden Experimenten simulierten Geiger und Kollegen den Mechanismus des Protonentransports auf der Basis der Dichtefunktionaltheorie. Das Ergebnis: Wenn eine Lücke von mindestens vier Kohlenstoff-Atomen in der Graphen-Schicht klafft, können sich Kohlenstoff-Radikale an den Lückenrändern ausbilden. An diese docken in wässriger Umgebung mehrere Hydroxyl-Gruppen an, um die Öffnung zu stabilisieren. „Dadurch wird das Loch zwar etwas kleiner, doch Protonen können nun leichter durch die Membran gelangen“, sagt Geiger. Nach seinen Berechnungen werden die Protonen über einen mehrstufigen Prozess durch die Öffnung durchgereicht. Dieser Vorgang funktioniert allerdings nur für Protonen, wodurch die für eine Brennstoffzelle wichtige Selektion gewährleistet wird.

Doch löchrige Graphen-Schichten unterstützen nicht nur den Protonen­transport. Weitere Analysen der Forschergruppe zeigen, dass eine Stabilisierung der Lücke allein mit Sauerstoffbrücken den Protonentransport völlig unterbinden kann. Wie Geiger erläutert, wäre es deshalb vorstellbar, zwischen Hydroxyl- und Sauerstoff-Gruppen mit kleinen Spannungspulsen hin und her zu schalten. Ergebnis wäre eine selektive Membran, die auf Knopf­druck Protonen durchlässt oder eben nicht. Weitere Arbeiten zu diesem Phänomen laufen derzeit.

Insgesamt könnten auf Basis dieser Ergebnisse Brennstoffzellen mit extrem dünnen und teilweise bewusst defekten Graphen-Schichten konstruiert werden. Diese Prototypen müssten zeigen, dass ausschließlich Protonen in ausreichender Zahl durch die Membranen wandern können. Im Erfolgsfall könnten heute verwendete, teils recht teure Membranen durch Graphen-Schichten ersetzt und potenziell günstigere Brenn­stoff­zellen entwickelt werden. „Unsere Ergebnisse werden nicht schon morgen zu neuen Brennstoffzellen führen“, so Geiger. Doch der Mechanismus biete ein Design für Separationsmembranen, die weniger kompliziert funktionieren als bisher gedacht. „Alles, was man braucht, ist eine etwas weniger perfekte einlagige Graphen-Schicht.“

Jan Oliver Löfken

RK