Für die Herstellung und Nutzung von grünem Wasserstoff sind leistungsfähige Membranen relevant. Sie kommen in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zum Einsatz und beeinflussen laut der Empa mit, wie effizient diese Systeme arbeiten. Häufig bestehen solche Membranen aus Spezialkeramiken, die Protonen aufnehmen und leiten können.
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Empa untersucht nun die Grundlagen des Protonentransports in diesen Materialien. Das Projekt wird vom Schweizerischen Nationalfonds im Rahmen des «External Lead Agency»-Verfahrens unterstützt. Beteiligt sind Forschende um Artur Braun, Gruppenleiter im Empa-Labor für Hochleistungskeramik, sowie internationale Forschungspartner.
Aufnahme und Beweglichkeit
Gute keramische Protonenleiter sollen einerseits viele Protonen aufnehmen und ihnen andererseits eine möglichst freie Bewegung ermöglichen. Diese Anforderungen stünden jedoch häufig in einem Zielkonflikt, wie die Empa mitteilt: Eine Optimierung der einen Eigenschaft könne die andere beeinträchtigen.
«Man kann sich die Keramikmembran wie eine Landschaft vorstellen, die von Strassen durchzogen ist. Die Protonen bewegen sich auf diesen Strassen wie Autos», vergleicht Braun. Bestehende Protonenmembranen ähnelten jedoch eher einem unwegsamen Gelände mit schmalen Pfaden als einer leistungsfähigen Verkehrsverbindung.
Fokus auf Lanthan-Cer-Oxid
Das Team untersucht im aktuellen Projekt Lanthan-Cer-Oxid, kurz LCO. Das Material kann zwar viele Protonen aufnehmen, leitet sie jedoch nicht weiter. Gerade diese Eigenschaft ermögliche es, den Zusammenhang zwischen Materialstruktur und Protonenleitfähigkeit genauer zu analysieren.
Neben einer hochauflösenden kristallographischen Strukturaufklärung mit Neutronen am Paul Scherrer Institut nutzt das Team Methoden an Grossforschungsanlagen in den USA und Japan. Damit wollen die Forschenden Gitterschwingungen präzise vermessen und theoretische Modelle experimentell überprüfen.
«Wenn wir die wissenschaftlichen Grundlagen der Protonenleitfähigkeit verstehen, können wir im Idealfall sagen, wie künftige Keramiken zu besseren Protonenleitern werden, und somit effizientere Membranen für Brennstoffzellen und Elektrolyseure ermöglichen», erklärt Braun.
Literatur
A Braun, A Rulev, N Nagasawa, H Wang, H Bendikov, V Pomjakushin, M Kunz, Y Yoda, Q Chen, SP Cramer: How Proton Incorporation Reshapes Lattice Dynamics in BaSnO3-type Proton Conductors; Advanced Science (2026); doi: 10.1002/advs.76065