Quantenmechanik eröffnet neue Möglichkeiten für Brennstoffzellen
Effizientere Brennstoffzellen werden dank eines Forschungsprojekts des schwedischen Königlichen Instituts für Technologie in Stockholm (KTH), der Universität Uppsala und der Universität Linköping möglich. Brennstoffzellen haben in der Forschung eine hohe Priorität, da sie einfache Rohstoffe - Wasserstoff und Sauerstoff - in Elektrizität umwandeln können und dabei außer Wasser keine weiteren umweltverschmutzenden Nebenprodukte generieren. Das Team hat mit Hilfe der Quantenmechanik die Beziehung zwischen der atomaren Struktur und der Leitfähigkeit der Sauerstoffionen untersucht. Dies ist wichtig, da die Effizienz der Brennstoffzellen von der Fähigkeit der Materialien abhängt, Sauerstoffionen zu transportieren. Je schneller die Sauerstoffionen transportiert werden, desto höher ist die Effizienz der Zellen. Der in den Proceedings of the National Academy of Sciences of America veröffentlichte Artikel stellt fest, dass die "Ergebnisse eine bemerkenswerte Korrespondenz zwischen Leerstellen-Eigenschaften auf atomarer Ebene und makroskopischer ionischer Leitfähigkeit zeigen". Das Forschungsprojekt konzentrierte sich auf das Material Ceriumoxid. Die Effizienz dieses Stoffes als Leiter für Sauerstoffionen wird durch die Zugabe winziger Mengen Verunreinigungspartikel, einer so genannten Dotiersubstanz, verändert. Einige dieser Dotiersubstanzen können die Effizienz des Materials bedeutend verbessern. Anstatt der üblichen - langsamen und teuren - "Trial und Error"-Methode testete das Team die Materialien schnell anhand von Quantenmodellierungstechniken. "Die Methoden, mit denen wir die Ionenleitfähigkeit eines Elements theoretisch berechnen, ermöglichen es uns auch, viel mehr Stoffe als bisher zu testen. Auch wenn die Berechnungen eine geraume Zeit in Anspruch nehmen, so ist die Methode doch schneller und billiger, als die Materialien praktisch zu testen", erklärt David Andersson vom KTH. Effizientere Materialien bedeuten auch, dass die Brennstoffzellen bei niedrigeren Temperaturen arbeiten. Derzeit brauchen die Zellen etwa 1.000 Grad Celsius. "Mit anderen Elektrolytmaterialien als denen, die uns heute zur Verfügung stehen, könnten wir die Arbeitstemperatur und dadurch auch die Kosten der Materialien senken, die die Brennstoffzellen umgeben. Niedrigere Temperaturen würden auch die Möglichkeit tragbarer Brennstoffzellen eröffnen", so Andersson.
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