Waterstof is een duurzame energiedrager. 'Groene' waterstof, geproduceerd met hernieuwbare energie, kan worden gebruikt als energiebuffer en brandstof. Om de productie en het gebruik efficiënter, duurzamer en kosteneffectiever te maken, zijn nieuwe materialen nodig. De membranen die in brandstofcellen en elektrolyse-apparaten worden gebruikt, zijn aanzienlijk verantwoordelijk voor het functioneren van de apparaten. Dergelijke membranen worden vaak gemaakt van speciale keramiek.
Hoe precies het gedrag van waterstofionen - de protonen - in de keramische membranen samenhangt met hun materiaalstructuur, is nog niet volledig begrepen. In een door de Zwitserse Nationale Fonds (SNF) gefinancierd project willen Empa-onderzoekers onder leiding van Artur Braun, groepsleider in het laboratorium voor hoog-prestatiekeramiek, samen met internationale onderzoekspartners deze vraag onderzoeken.
Braun en zijn team houden zich al 20 jaar bezig met keramische protonengeleiders. Goede protonengeleiders moeten vooral aan twee eisen voldoen: ze moeten zoveel mogelijk protonen opnemen en de protonen moeten zich zo vrij mogelijk in het materiaal kunnen bewegen. Deze twee eigenschappen zijn echter tegenstrijdig: als je de ene optimaliseert, verslechtert meestal de andere.
Onherbergzaam terrein in plaats van vrije doorgang
'Je kunt je de keramische membraan voorstellen als een landschap met wegen. De protonen bewegen zich op deze wegen als auto's,' vergelijkt Braun. Hoe meer auto's er op de wegen rijden, hoe meer de verkeersstroom stokt. 'Een meerbaans protonen-snelweg waarop de ladingen onbelemmerd in beide richtingen stromen, is een ideaalbeeld,' legt hij uit. De momenteel gangbare protonenmembranen lijken echter meer op onherbergzaam terrein, dat de protonen moeizaam over smalle paden doorkruisen.
Maar anders dan de ons vertrouwde landschappen, zijn de kristalroosters van de keramische membranen dynamisch - dat wil zeggen: veranderlijk. In een eerder werk kon het team van Braun aantonen dat de protonengeleidbaarheid in goed geleidende keramiek niet altijd hetzelfde blijft, maar soms afneemt en soms hoogste waarden bereikt. 'Het is alsof bergen en dalen plotseling gelijk worden. De protonen krijgen voor een kort moment als het ware vrij spel,' verklaart Braun. Ook kon het Empa-team aantonen dat het protonentransport in keramische geleiders nauw verbonden is met de roostertrillingen van het kristalrooster - en dat ingebedde protonen in het rooster deze trillingen zelf kunnen veranderen.
De antwoorden in het kristalrooster
Om dit effect beter te begrijpen, richten de onderzoekers zich in hun huidige project niet op een goede protonengeleider, maar op een eerder slechte. Lanthaan-cerium-oxide (LCO) kan wel veel protonen opnemen, maar geleidt ze niet verder. 'Als een slechte protonengeleider met een file te vergelijken is, dan is er bij LCO sprake van een regelrechte verkeersinfarct,' zegt Braun.
Dit vermeende nadeel biedt de onderzoekers echter een unieke kans om de invloed van de materiaalstructuur op de protonengeleidbaarheid te onderzoeken. Naast hoog-resolutie kristallografische structuurverkenning met neutronen bij het Paul Scherrer Institut (PSI), gebruikt het team nieuwe methoden bij grote onderzoeksfaciliteiten in de VS en Japan om de roostertrillingen van de kristalroosters nauwkeurig te meten en de theoretische modellen experimenteel te verifiëren. 'Als we de wetenschappelijke basis van de protonengeleidbaarheid begrijpen, kunnen we in het ideale geval aangeven hoe toekomstige keramieken betere protonengeleiders kunnen worden, en daarmee efficiëntere membranen voor brandstofcellen en elektrolyse-apparaten kunnen maken,' verklaart de natuurkundige.
Contact:
Dr. Artur Braun
Hoogwaardige keramiek
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch