Nutzerforschung an BESSY II: Neue Materialien steigern die Effizienz in Ethanol-Brennstoffzellen

Das Material besteht aus Nafion mit eingebetten Nanopartikeln.

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.

arö

Das könnte Sie auch interessieren

  • HZB-Physiker folgt Ruf nach Südkorea
    Nachricht
    25.01.2023
    HZB-Physiker folgt Ruf nach Südkorea
    Seit 2016 hat der Beschleunigerphysiker Ji-Gwang Hwang am HZB in der Abteilung Speicherring- und Strahlphysik geforscht. In mehreren Projekten hat er wichtige Beiträge zur Strahldiagnostik geleistet. Nun kehrt er in seine Heimat Südkorea zurück, als Professor für Physik an der Gangneung-Wonju National University.
  • Neue Mikroskopiemethode liefert Echtzeitvideos aus dem Mikrokosmos
    Science Highlight
    18.01.2023
    Neue Mikroskopiemethode liefert Echtzeitvideos aus dem Mikrokosmos
    Ein Wissenschaftsteam unter Leitung von Forschenden des Max-Born-Instituts in Berlin, des Helmholtz-Zentrums Berlin, des Brookhaven National Laboratory (USA) und des Massachusetts Institute of Technology (USA) hat eine neue Methode entwickelt, um mit starken Röntgenquellen Videos von Fluktuationen in Materialien auf der Nanoskala aufzunehmen. Die Methode ist in der Lage, scharfe, hochauflösende Bilder zu machen, ohne das Material durch zu starke Belichtung zu beeinträchtigen. Dafür entwickelten die Wissenschaftler*innen einen Algorithmus, der in unterbelichteten Aufnahmen Muster erkennen kann. Im Fachjournal Nature beschreiben sie die Methode des Coherent Correlation Imaging (CCI) und stellen Ergebnisse für Proben aus dünnen magnetischen Schichten vor.
  • Lesetipp: Bunsen-Magazin mit Schwerpunkt Wasserforschung
    Nachricht
    13.01.2023
    Lesetipp: Bunsen-Magazin mit Schwerpunkt Wasserforschung
    Wasser besitzt nicht nur einige bekannte Anomalien, sondern steckt noch immer voller Überraschungen. Die erste Ausgabe 2023 des Bunsen-Magazins widmet sich der molekularen Wasserforschung, vom Ozean bis zu Prozessen bei der Elektrolyse. Das Heft präsentiert Beiträge von Forschenden, die im Rahmen einer europäischen Forschungsinitiative im „Centre for Molecular Water Science“ (CMWS) kooperieren. Ein Team am HZB stellt darin Ergebnisse aus der Synchrotronspektroskopie von Wasser vor. Denn an modernen Röntgenquellen lassen sich molekulare und elektronische Prozesse in Wasser im Detail untersuchen.