Wie sich Reaktionen in einer Brennstoffzelle auf Nanometerebene beschreiben lassen

22 December 2011

Visualisierung der Platinbeschichtung in Brennstoffzellen. Die roten Areale kennzeich­nen besonders hohe Ionenaustauschaktivität, die türkisfarbenen Berge stellen Nano­partikel dar. Die Abbildung zeigt, dass Ionenaustausch nicht überall gleich hoch ist.

Erstmals lassen sich die physi­kalisch-chemischen Reaktionen einer Brennstoffzelle detailliert auf Nanometerebene beobachten und beschreiben. Möglich wird dies durch eine neue Mikroskopie­technik, die ein internationales Wissen­schaftler­team mit dem Heidelberger Mathematiker Francesco Ciucci sowie Forschern aus den USA und der Ukraine entwickelt hat. Damit kann der Prozess der Sauerstoff­reduktion, der für die Energiegewinnung in einer Brennstoffzelle von Bedeutung ist, mit der Auflösung von einem Millionstel eines Millimeters erfasst werden. Die Forschungsergebnisse sollen zur Realisierung effizienter und leistungsstarker Wasserstoff-Brennstoffzellen beitragen.

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffes wie etwa Wasserstoff in elektrische Energie um. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist aus zwei gegenüberliegenden Elektroden aufgebaut, die durch einen Ionenleiter getrennt sind. Die Gewinnung von elektrischer Energie erfolgt durch Ionenaustausch zwischen den beiden Elektroden: Der in der Luft gelöste Sauerstoff reagiert mit dem von außen zugeführten Wasserstoff. Bei dieser sogenannten Sauerstoffreduktion spielt ein Katalysator – häufig ist dies das seltene und teure Edelmetall Platin – als Reaktionsbeschleuniger eine wesentliche Rolle. Dabei ist es der Prozess der Sauerstoffreduktion, der nach den Worten von Francesco Ciucci den limitierenden Faktor für die Langlebigkeit und Effizienz von Brennstoffzellen darstellt.
„Um den Ionenaustausch zwischen den Elektroden optimieren zu können, müssen grundlegende Fragen beantwortet werden: Wie und wo genau findet die Reduktion des Sauerstoffs statt und auf welche Weise funktioniert Platin als Katalysator? Zur Entschlüsselung der Reaktionsdynamik hat uns bisher jedoch ein geeignetes Untersuchungsinstrument gefehlt“, sagt der Mathematiker, der seine Forschungen als Stipendiat an der Heidelberger Graduiertenschule der mathematischen und computergestützten Methoden für die Wissenschaften durchgeführt hat. So hat Ciucci zusammen mit Amit Kumar vom Oak Ridge National Laboratory in den USA und Anna Morozovska von der National Academy of Sciences in der Ukraine eine neue Mikroskopietechnik entwickelt, mit der der Ionenaustausch im Nanometerbereich erfasst werden kann. Das Verfahren wird als „Electrochemical Strain Microscopy“ (ESM) bezeichnet.

Die ESM-Technik basiert auf einem mathematischen Modell, einer sogenannten partiellen Differentialgleichung, die die Bewegung des Sauerstoffes in verschiedenen Materialien beschreibt. Durch diese mathematische Beschreibung konnten die Messdaten der „Electrochemical Strain Microscopy“ auf dem Computerbildschirm visualisiert werden. „Dabei hat sich gezeigt, dass die Katalysatorschicht aus 50 Nanometer großen Platinpartikeln nicht überall gleichmäßig viel Ionenaustausch zulässt“, sagt Ciucci. Die innovative Mikroskopietechnik soll nicht nur zur Weiterentwickelung von Brennstoffzellen eingesetzt werden. Mit ihr können nach den Worten des Wissenschaftlers die chemischen Vorgänge an allen Oberflächen erforscht werden, bei denen die Materialien durch Ionenaustausch miteinander interagieren.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ veröffentlicht.

Originalpublikation:
A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin and S. Jesse: Measuring oxygen reduction/evolution reactions on the nanoscale. Nature Chemistry 3, 707-713 (2011), doi:10.1038/nchem.1112

 
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