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.
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
