Hvordan protoner bevæger sig gennem en brændselscelle

Brint betragtes som fremtidens energikilde:Det produceres med solenergi og kan bruges til at generere varme og elektricitet i brændselsceller. Det er nu lykkedes for Empa -forskere at afkode bevægelsen af ​​hydrogenioner i krystaller - et vigtigt skridt i retning af mere effektiv energiomsætning i fremtidens brintindustri.

Som ladningsbærere, elektroner og ioner spiller en ledende rolle i elektrokemiske energilagringsenheder og -omformere, såsom batterier og brændselsceller. Protonkonduktivitet er afgørende for sidstnævnte; protoner, dvs. positivt ladede hydrogenioner, dannes af brint, som bruges til at drive brændselscellen. Empa -fysiker Artur Braun og Qianli Chen, en doktorand ved ETH Zürich, udført eksperimenter med neutronspredning på den schweiziske Spallation Neutron Source (SINQ) ved Paul Scherrer Institute (PSI), der dokumenterer mobilitet af protoner i krystalgitteret. I processen, de observerede, at protonbevægelserne i keramiske brændselsceller overholder langt mere komplekse love end tidligere antaget:Protonernes bevægelse finder sted i henhold til den såkaldte polaron-model, som forskerne for nylig rapporterede i det berømte tidsskrift Naturkommunikation .

I lang tid, polaron-teorien udviklet af den russiske fysiker og eventuelt nobelprisvinder Lev Davidovich Landau i 1933 gjaldt kun for elektroner. Modellen beskriver, hvordan elektroner "snor sig" gennem en dielektrisk krystal og tvinger "forstyrrende" atomer ud af position, som bremser elektronerne. Med andre ord, polaroner er bevægelsesbølger i krystallen, hvis spredning kan beskrives som en partikels bane. De kan afbøjes og reflekteres.

Elektronpolaronen har længe været en søjle i teoretisk fysik og det ubestridte grundlag for anvendte modelberegninger i ekspertkredse. Derimod, eksistensen af ​​en brintpolaron - dvs. en hydrogenion, der "hopper" fra den ene position til den næste - var kun en spekulativ teori indtil nu. Selvom biologer brugte modellen med at hoppe brintatomer til at forklare visse metaboliske processer, faststoffysikere betragtede ikke brintpolaroner som en gyldig forklaringsmodel.

Dette kan nu ændre sig:Baseret på forsøg med yttrium-dopet bariumkeroxid og bariumzirkoniumoxidkrystaller, Braun og Chen formåede at bevise eksistensen af ​​protonpolaronen. I tør tilstand, disse krystaller er ikke-ledende. Hvis de udsættes for en dampatmosfære, imidlertid, OH -grupper dannes inde i krystalstrukturen. Frigivne protoner kan derefter bevæge sig på en bølgelignende måde, og oxidet bliver ionisk ledende.

Varme og højt tryk giver bevis

Braun og Chen fandt tegn på hydrogenionbølger ved at studere krystallerne under forskellige højtryksbetingelser og ved temperaturer på op til 600 grader Celsius. Empas gode forbindelse i den videnskabelige verden var afgørende:Prøverne blev røntgenoptaget på PSIs neutronkilde, og højtryksforsøgene på krystallerne blev udført i samarbejde med forskere fra Det Geofaglige Fakultet/Geografi ved Goethe Universitet, Frankfurt am Main.

Resultatet:Ved temperaturer på mellem 220 og 520 grader, ledningsevnen stiger i nøjagtig samme omfang som forudsagt i modelberegninger for krystalets gittervibrationer. Protonerne er derfor i første omgang bundet i krystalgitteret og begynder at hoppe gennem krystallen fra en OH -gruppe til en anden i koncerten med gittervibrationer, når de opvarmes. Hvis krystallen udsættes for højt tryk med en særlig komprimator, der er mindre plads til protonspringene, og konduktiviteten falder igen. Dette beviser, at polaron -modellen gælder for både elektroner og protoner. "Og hvem ved, måske er teorien også gældende for andre ioner såsom lithium, "spekulerer Braun.

Empa -forskernes fund kan snart give afgørende oplysninger om valg af materiale til brændselsceller og brintlagringssystemer - og dermed påvirke fremtidens energiforsyning. Imidlertid, Keramiske isolatorers adfærd kan også gages mere effektivt nu:Isolerer de stadig godt ved høje temperaturer i den fugtige udeluft? Eller udvikler der sig aktuelle lækager, der kan tilskrives polaron -ledning? Takket være Braun og Chens projekt, som blev finansieret af Swiss National Science Foundation (SNSF), visse gåder om materialevidenskab kan således løses.