11.03.2020

Protonen auf die Sprünge helfen

Nanoskalige Perkolation entlang von Yttrium-Ketten erhöht die Protonenleitfähigkeit.

Forschern vom RWTH-Lehrstuhl für Physikalische Chemie I unter Leitung von Manfred Martin gelang es, in Zusammen­arbeit mit der University of Tokyo die Protonenleitung in einem Oxid zu modellieren. So konnten die Forscher vorhersagen, wie sich die Protonen­beweglichkeit durch Perkolations­effekte erhöhen lässt. Dieses Phänomen ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für technologische Anwendungen, beispielsweise bei der Elektrolyse oder in Brenn­stoffzellen, von Bedeutung. 
 

Abb.: Elementarzelle von Barium­zirkonat. Die vier Pfeile zeigen die...
Abb.: Elementarzelle von Barium­zirkonat. Die vier Pfeile zeigen die möglichen Protonen­sprünge an. (Bild: F. Draber et al. / Springer Nature)

Wasserstoff gilt als Energieträger für eine zukünftige, nachhaltige Energiewirtschaft. Er wird unter anderem durch Elektrolyse von Wasser mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt, kann gespeichert und in einer Brennstoffzelle wieder zu Strom umgewandelt werden. Sowohl bei der Elektrolyse als auch bei der Brenn­stoff­zellen­technologie sind protonenleitende Oxide wichtige Bestandteile der elektro­chemischen Zellen. 

Eines der besten protonen­leitenden Oxide ist Bariumzirkonat dotiert mit Yttrium. Problematisch war jedoch das bisher begrenzte Verständnis der Verbindung zwischen der atomaren Protonen­bewegung im Kristallgitter und der makroskopischen Protonen­leitfähigkeit. Dem Forscherteam gelang es nun, dieses Problem durch quantenmechanische Rechnungen und kinetische Monte Carlo Simulationen zu lösen. 

Dabei zeigte sich, dass die geometrische Anordnung der Yttriumionen im Kristall­gitter entscheidend ist: Bereits kurze Yttrium­ketten ermöglichen eine schnelle Protonen­bewegung entlang der Ketten und erhöhen so die Protonenleitfähigkeit. Dieses als „nanoscale percolation“ bezeichnete Phänomen eröffnet einen vielversprechenden Weg zur Erhöhung der Protonen­leitfähigkeit auch in anderen Oxiden.

RWTH Aachen / DE

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