Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) leitet ein internationales Forschungsprojekt zu keramischen Protonenleitern. Das Team will die Grundlagen des Protonentransports in Spezialkeramiken mit neuen Methoden aufklären. Der Schweizerische Nationalfonds (SNF) unterstützt das Vorhaben im Rahmen des „External Lead Agency“-Verfahrens.
Die Membranen in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren bestimmen wesentlich, wie effizient die Geräte arbeiten. Häufig kommen dafür Spezialkeramiken zum Einsatz. Wie das Verhalten der Protonen in solchen Keramikmembranen mit deren Materialstruktur zusammenhängt, ist laut Empa bislang nicht vollständig verstanden. Diese Frage steht im Zentrum des Forschungsprojekts, das Artur Braun, Gruppenleiter im Labor für Hochleistungskeramik der Empa, gemeinsam mit internationalen Partnern bearbeitet.
Zwei widersprüchliche Anforderungen an Protonenleiter
Braun und sein Team forschen seit rund 20 Jahren an keramischen Protonenleitern. Gute Leiter müssen zwei Anforderungen erfüllen: Sie sollen möglichst viele Protonen aufnehmen und diese sollen sich im Material möglichst frei bewegen können. Beide Eigenschaften stehen in einem Zielkonflikt. Wird die eine optimiert, verschlechtert sich meist die andere.
Braun veranschaulicht das Problem mit einem Bild: „Man kann sich die Keramikmembran wie eine Landschaft vorstellen, die von Strassen durchzogen ist. Die Protonen bewegen sich auf diesen Strassen wie Autos.“ Je mehr Autos unterwegs seien, desto mehr stocke der Verkehr. „Eine mehrspurige Protonen-Autobahn, auf der die Ladungen ungehindert in beide Richtungen fliessen, ist eine Wunschvorstellung“, so Braun. Die derzeit gängigen Protonenmembranen ähnelten eher einem unwegsamen Gelände, das die Protonen über schmale Pfade durchwandern müssten.
Dynamische Kristallgitter mit variabler Leitfähigkeit
Anders als natürliche Landschaften sind die Kristallgitter der Keramikmembranen dynamisch. In einer vorangegangenen Arbeit zeigte Brauns Team, dass die Protonenleitfähigkeit in gut leitenden Keramiken schwankt. Zeitweise fällt sie niedriger aus, zeitweise erreicht sie Höchstwerte. „Das ist so, als würden sich die Berge und Täler auf einmal angleichen. Die Protonen bekommen für einen kurzen Moment sozusagen freie Fahrt“, erklärt Braun. Der Protonentransport in keramischen Leitern sei eng an Gitterschwingungen des Kristallgitters gekoppelt. Eingebettete Protonen könnten diese Schwingungen selbst verändern.
Schlechter Leiter als Modellsystem
Im aktuellen Projekt untersuchen die Forschenden gezielt einen schlechten Protonenleiter: Lanthan-Cer-Oxid (LCO). Das Material kann viele Protonen aufnehmen, leitet sie aber kaum weiter. „Wenn ein schlechter Protonenleiter mit einem Stau zu vergleichen ist, liegt bei LCO ein regelrechter Verkehrsinfarkt vor“, sagt Braun. Genau dieser Nachteil eröffnet dem Team die Möglichkeit, die Auswirkungen der Materialstruktur auf die Protonenleitfähigkeit gezielt zu untersuchen.
Für die Analysen setzen die Forschenden hochauflösende kristallographische Strukturaufklärung mit Neutronen am Paul Scherrer Institut (PSI) ein. Zusätzlich nutzen sie neue Methoden an Grossforschungsanlagen in den USA und in Japan, um die Gitterschwingungen präzise zu vermessen und theoretische Modelle experimentell zu überprüfen. „Wenn wir die wissenschaftlichen Grundlagen der Protonenleitfähigkeit verstehen, können wir im Idealfall sagen, wie künftige Keramiken zu besseren Protonenleitern werden, und somit effizientere Membranen für Brennstoffzellen und Elektrolyseure ermöglichen“, so Braun.
