Forschern vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist es kürzlich erstmals gelungen, den Protonentransfer an einer Elektrodenoberfläche im Detail aufzuzeigen. Ihre Ergebnisse könnten der Schlüssel für effizientere Brennstoffzellen und Batterien sein.
Im Rahmen der Energiewende gibt es weiterhin noch ungelöste Probleme. Basieren zukünftige Batterien weiterhin auf der Lithium-Ionen-Technologie? Wie lassen sich effiziente Brennstoffzelle entwickeln? Und: Gibt es vielleicht doch weitere Alternativen in der Stromversorgung?
Diese und viele weitere Fragen stellen sich immer mehr Forscher weltweit. Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben in einer kürzlich veröffentlichten Studie die Geheimnisse des Protonentransfers aufgedeckt. Dabei handelt es sich um einen entscheidenden Schritt in vielen Energietechnologien, etwa bei der Entwicklung von Brennstoffzellen-Technologie und Elektrolyseuren zur Produktion von Wasserstoffgas.
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Das Team zeichnete detailliert auf, wie Protonen-gekoppelte Elektronentransfers an der Oberfläche einer Elektrode stattfinden. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, effizientere Brennstoffzellen, Batterien und andere Energietechnologien zu entwickeln.
Protonentransfer: Verbesserte Brennstoffzellen-Technologie möglich
Die Forscher entwickelte ein Modell für die chemischen Reaktionen des Protonen-gekoppelten Elektronentransfers, indem sie Elektroden mit vorab molekular definierten Protonen-Bindungsstellen nutzten. Das Team rund um Yogesh Surendranath, Professor für Chemie und Chemieingenieurwesen am MIT, fokussierte sich vorrangig auf das Verständnis der Kopplung von Elektronen und Protonen an einer Oberflächenstelle.
Die Wissenschaftler konnten genau verfolgen, wie Veränderungen im pH-Wert der Elektrolytlösung, die eine Elektrode umgibt, die Geschwindigkeit der Protonen-Bewegung und den Elektronenfluss innerhalb der Elektrode beeinflussen. Doch es gab auch einige Herausforderungen.
Etwa, dass Elektrodenoberflächen normalerweise sehr heterogen sind. Daher entwickelte das MIT-Team eine Methode, um Elektrodenoberflächen zu gestalten, die ihnen viel präzisere Kontrolle über die Zusammensetzung der Elektrodenoberfläche gab.
Anderer pH-Wert sorgt für andere Reaktion
Ihre Elektroden bestehen aus Graphenblättern mit organischen, ringförmigen Verbindungen an der Oberfläche. An den Verbindungen ist jeweils ein negativ geladenes Sauerstoffion angebracht. Dieses Ion kann Protonen aus der umgebenden Lösung aufnehmen.
Die Ergebnisse zeigen, dass der pH-Wert der umgebenden Lösung einen erheblichen Einfluss auf die Übertragungsrate hat. Die höchsten Raten traten an den extremen Enden der pH-Skala auf – pH 0, am sauersten, und pH 14, am basischsten. Das Team entwickelte daraufhin ein Modell, basierend auf zwei möglichen Reaktionen, die an der Elektrode auftreten können, um diese Ergebnisse zu erklären.
Diese Entdeckung könnte die Art und Weise, wie wir Brennstoffzellen und Batterien betrachten, neu gestalten. Die Technologien dürften dadurch sicherer und effizienter werden. Die Ergebnisse der Studie könnten auch dazu beitragen, langfristige Verbesserungen zu erzielen, die das Risiko von Überhitzung und thermischem Durchgehen verringern und somit einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung von Energiespeicher- und Wandlungstechnologien darstellen.
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