Wie der Title schon sagt, basieren die meisten heutigen elektronischen Geräte auf der Bewegung von Elektronen. Materialien, die Protonen – den Atomkern des Wasserstoffs – effizient leiten können, könnten jedoch der Schlüssel zu einer Reihe wichtiger Technologien zur Bekämpfung des globalen Klimawandels sein.
Die meisten derzeit verfügbaren protonenleitenden anorganischen Materialien erfordern unerwünscht hohe Temperaturen, um eine ausreichend hohe Leitfähigkeit zu erreichen. Alternativen mit niedrigeren Temperaturen könnten jedoch eine Reihe von Technologien ermöglichen, wie etwa effizientere und langlebigere Brennstoffzellen zur Erzeugung sauberer Elektrizität aus Wasserstoff, Elektrolyseure zur Herstellung sauberer Kraftstoffe wie Wasserstoff für den Transport, Festkörper-Protonenbatterien und sogar neue Arten von Computergeräten auf Foundation ionoelektronischer Effekte.
Um die Entwicklung von Protonenleitern voranzutreiben, haben MIT-Ingenieure bestimmte Eigenschaften von Materialien identifiziert, die eine schnelle Protonenleitung ermöglichen. Anhand dieser Eigenschaften konnte das Workforce ein halbes Dutzend neuer Kandidaten identifizieren, die als schnelle Protonenleiter vielversprechend sind. Simulationen lassen darauf schließen, dass diese Kandidaten weitaus bessere Leistungen erbringen werden als bestehende Materialien, obwohl sie noch experimentell bestätigt werden müssen. Neben der Entdeckung potenzieller neuer Materialien liefert die Forschung auch ein tieferes Verständnis der Funktionsweise solcher Materialien auf atomarer Ebene.
Die neuen Erkenntnisse sind beschrieben in der Zeitschrift Energie- und Umweltwissenschaftenin einem Artikel der MIT-Professoren Bilge Yildiz und Ju Li, der Postdocs Pjotrs Zguns und Konstantin Klyukin sowie ihrer Mitarbeiterin Sossina Haile und ihren Studenten von der Northwestern College. Yildiz ist Breene M. Kerr-Professorin in den Abteilungen Nuklearwissenschaft und -technik sowie Materialwissenschaft und -technik.
„Protonenleiter werden für Anwendungen zur Umwandlung sauberer Energie benötigt, wie etwa Brennstoffzellen, in denen wir Wasserstoff zur Erzeugung von kohlendioxidfreiem Strom verwenden“, erklärt Yildiz. „Wir wollen diesen Prozess effizient gestalten und benötigen daher Materialien, die Protonen sehr schnell durch solche Geräte transportieren können.“
Aktuelle Methoden zur Wasserstoffproduktion, beispielsweise die Dampfreformierung von Methan, stoßen große Mengen Kohlendioxid aus. „Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, Wasserstoff elektrochemisch aus Wasserdampf zu erzeugen, und dafür sind sehr gute Protonenleiter erforderlich“, sagt Yildiz. Die Produktion anderer wichtiger Industriechemikalien und potenzieller Brennstoffe wie Ammoniak kann ebenfalls durch effiziente elektrochemische Systeme erfolgen, die gute Protonenleiter erfordern.
Die meisten anorganischen Materialien, die Protonen leiten, können jedoch nur bei Temperaturen von 200 bis 600 Grad Celsius (etwa 450 bis 1.100 Fahrenheit) oder sogar noch höher betrieben werden. Solche Temperaturen erfordern Energie, um sie aufrechtzuerhalten, und können zu Materialzersetzung führen. „Höhere Temperaturen sind nicht wünschenswert, da dies das gesamte System anspruchsvoller macht und die Haltbarkeit des Supplies zum Drawback wird“, sagt Yildiz. „Bei Raumtemperatur gibt es keinen guten anorganischen Protonenleiter.“ Der einzige bekannte Protonenleiter bei Raumtemperatur ist heute ein Polymermaterial, das für Anwendungen in Computergeräten nicht praktikabel ist, da es nicht einfach auf den Nanometerbereich herunterskaliert werden kann, sagt sie.
Um das Drawback anzugehen, musste das Workforce zunächst ein grundlegendes und quantitatives Verständnis davon entwickeln, wie Protonenleitung genau funktioniert. Dazu untersuchte es eine Klasse anorganischer Protonenleiter, sogenannte feste Säuren. „Man muss zunächst verstehen, was die Protonenleitung in diesen anorganischen Verbindungen bestimmt“, sagt sie. Bei der Untersuchung der Atomkonfigurationen der Materialien identifizierten die Forscher ein Paar von Eigenschaften, die in direktem Zusammenhang mit dem Protonentransportpotenzial der Materialien stehen.
Wie Yildiz erklärt, besteht die Protonenleitung zunächst darin, dass ein Proton „von einem Sauerstoffatom des Spenders zu einem Sauerstoffatom des Akzeptors springt. Und dann muss sich die Umgebung neu organisieren und das aufgenommene Proton wegnehmen, damit es zu einem anderen benachbarten Akzeptor springen kann, was eine Protonendiffusion über große Entfernungen ermöglicht.“ Dieser Prozess findet in vielen anorganischen Feststoffen statt, sagt sie. Herauszufinden, wie dieser letzte Teil funktioniert – wie das Atomgitter neu organisiert wird, um das aufgenommene Proton vom ursprünglichen Spenderatom wegzunehmen – struggle ein wichtiger Teil dieser Forschung, sagt sie.
Die Forscher verwendeten Computersimulationen, um eine Klasse von Materialien, sogenannte feste Säuren, zu untersuchen, die über 200 Grad Celsius. Diese Materialklasse hat eine Unterstruktur, die als Polyanionengruppen-Untergitter bezeichnet wird, und diese Gruppen müssen rotieren und das Proton von seinem ursprünglichen Platz wegbringen, damit es dann an andere Plätze übertragen werden kann. Die Forscher konnten die Phononen identifizieren, die zur Flexibilität dieses Untergitters beitragen, die für die Protonenleitung wesentlich ist. Anschließend nutzten sie diese Informationen, um riesige Datenbanken theoretisch und experimentell möglicher Verbindungen zu durchforsten, auf der Suche nach Materialien mit besserer Protonenleitung.
Als Ergebnis fanden sie feste Säureverbindungen, die vielversprechende Protonenleiter sind und die für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen entwickelt und hergestellt wurden, aber noch nie zuvor als Protonenleiter untersucht wurden; es stellte sich heraus, dass diese Verbindungen genau die richtigen Eigenschaften hinsichtlich der Gitterflexibilität aufwiesen. Das Workforce führte dann Computersimulationen durch, um zu untersuchen, wie sich die spezifischen Materialien, die sie in ihrer ersten Prüfung identifiziert hatten, bei relevanten Temperaturen verhalten würden, um ihre Eignung als Protonenleiter für Brennstoffzellen oder andere Anwendungen zu bestätigen. Tatsächlich fanden sie sechs vielversprechende Materialien mit vorhergesagten Protonenleitungsgeschwindigkeiten, die höher waren als die der besten bestehenden festen Säureprotonenleiter.
„Diese Simulationen sind mit Unsicherheiten behaftet“, warnt Yildiz. „Ich möchte nicht genau sagen, wie viel höher die Leitfähigkeit sein wird, aber sie sehen sehr vielversprechend aus. Hoffentlich motiviert dies die Experimentalphysiker, sie in verschiedenen Formen zu synthetisieren und diese Verbindungen als Protonenleiter zu nutzen.“
Die Umsetzung dieser theoretischen Erkenntnisse in praktische Geräte könne einige Jahre dauern, sagt sie. Die wahrscheinlichsten ersten Anwendungen seien elektrochemische Zellen zur Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Grundstoffen wie Wasserstoff und Ammoniak, sagt sie.
Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium, der Wallenberg-Stiftung und der US-Nationwide Science Basis unterstützt.