Ein internationales Forscherteam hat eine neue Mikroskopietechnik entwickelt, mit der sich erstmals physikalisch-chemische Reaktionen einer Brennstoffzelle auf Nanometerebene beobachten lassen. Der Prozess der Sauerstoffreduktion, der für die Energiegewinnung in einer Brennstoffzelle von Bedeutung ist, kann mit der Auflösung von einem Millionstel eines Millimeters erfasst werden. Die Ergebnisse sollen effizientere und leistungsstarke Wasserstoff-Brennstoffzellen realisieren lassen.
„Die Technik wurde nicht nur für die Beobachtung an Brennstoffzellen entwickelt. Es geht primär darum, den Nanometerbereich zu erforschen“, sagt Sabine Kluge vom Interdisziplinären Zentrum für wissenschaftliches Rechnen http://www.iwr.uni-heidelberg.de gegenüber pressetext.
Erster Test an Brennstoffzelle
Zunächst wurde die Technologie zur Analyse von Brennstoffzellen angewandt. 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 den limitierenden Faktor für die Langlebigkeit und Effizienz von Brennstoffzellen darstellt, so Studienleiter Francesco Ciucci.
Neuer Einblick in Ionen
„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 Ciucci. Die von ihm und Kollegen entwickelte Mikroskopietechnik kann den Ionenaustausch im Nanometerbereich erfassen, wobei die Technik als „Electrochemical Strain Microscopy“ (ESM) bezeichnet wird.
Die ESM-Technik basiert auf einem mathematischen Modell, einer sogenannten partiellen Differentialgleichung. 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. Mit der innovativen Mikroskopietechnik können chemische Vorgänge an allen Oberflächen erforscht werden, bei denen die Materialien durch Ionenaustausch miteinander interagieren.
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Platin: Nano-Visualisierung der Beschichtung (Abbildung: Sergei Kalinin)