Nutzerforschung an BESSY II: Neue Materialien steigern die Effizienz in Ethanol-Brennstoffzellen
Das Material besteht aus Nafion mit eingebetten Nanopartikeln. © B.Matos/IPEN
Eine Gruppe aus Brasilien hat mit einem HZB-Team eine neuartige Kompositmembran für Ethanol-Brennstoffzellen untersucht. Sie besteht aus dem Polymer Nafion, in das durch Schmelzextrusion Titanat-Nanopartikel eingebettet sind. An BESSY II konnten sie beobachten, wie die Nanopartikel in der Nafion-Matrix verteilt sind und wie sie die Protonenleitfähigkeit steigern.
Ethanol besitzt eine fünfmal höhere volumetrische Energiedichte als Wasserstoff und lässt sich gefahrlos in geeigneten Brennstoffzellen zur Stromerzeugung nutzen. Insbesondere in Brasilien besteht großes Interesse an Brennstoffzellen für Ethanol, das dort kostengünstig aus Zuckerrohr hergestellt werden kann. Theoretisch könnte der Wirkungsgrad einer Ethanol-Brennstoffzelle 96 Prozent betragen, aber in der Praxis liegt er selbst bei der höchsten Leistungsdichte nur bei 30 Prozent. Es gibt also noch viel Raum für Verbesserungen.
Nafion mit Nanopartikeln
Ein Team um Dr. Bruno Matos vom brasilianischen Forschungsinstitut IPEN erforscht deshalb neuartige Kompositmembranen für Direktethanol-Brennstoffzellen. Diese Kompositmembranen sollen die Polymerelektrolyten wie Nafion ersetzen. Matos und sein Team stellten nun mit einem Schmelzextrusionsverfahren Kompositmembranen auf der Basis von Nafion her. Dabei wurden in die Nafion-Matrix Titanat-Nanopartikel eingebettet, welche mit Sulfonsäuregruppen funktionalisiert wurden.
Protonenleitfähigkeit steigt
Matos und sein Team haben nun vier verschiedene Varianten dieser neuartigen Materialien an der Infrarot-Beamline IRIS bei BESSY II analysiert. Mit Infrarotspektroskopie beobachteten sie, dass sich chemische Brücken zwischen den Sulfonsäuregruppen der funktionalisierten Nanopartikel bildeten. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Protonenleitfähigkeit in der Kompositmembran erhöht war, selbst bei hohen Konzentrationen von Nanopartikeln.
Große Überraschung
"Das war eine echte Überraschung, die wir nicht erwartet hatten", sagt Dr. Ljiljana Puskar, HZB-Wissenschaftlerin an der IRIS-Beamline. Denn bisher war eine der Haupthürden bei der Entwicklung von Hochleistungsverbundwerkstoffen die Tatsache, dass sich mit steigender Konzentration der Nanopartikel die Protonenleitfähigkeit verringert. Die höhere Protonenleitfähigkeit könnte eine bessere Ladungsträgermobilität ermöglichen und damit die Effizienz der Direktethanol-Brennstoffzelle erhöhen.
"Diese Kompositmembran kann durch Schmelzextrusion hergestellt werden, was ihre Herstellung im industriellen Massstab ermöglichen würde", betont Matos.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.