Elektronenmikroskopieaufnahme

Brenn­stoff­zellen: Schritt für Schritt zum Ver­ständ­nis

Als Teilprojekt eines FWF-Sonder­forschungs­bereichs beschäftigte sich die Arbeitsgruppe um Simon Penner und Bernhard Klötzer vom Institut für Physikalische Chemie acht Jahre lang mit fundamentalen Studien der Funktionsweise von Fest­körper­oxid-Brenn­stoff­zellen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich im renommierten Fachjournal Accounts of Chemical Research.

Die Weiterentwicklung oxidbasierter Technologien setzt ein grundlegendes Verständnis der Oberflächen- und Grenzflächenchemie von Oxiden voraus und erfordert ein vertieftes Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen. Dies setzt ein breites Spektrum wissenschaftlicher Herangehensweisen und Methoden voraus. Im Sonderforschungsbereich „Functional Oxide Surfaces and Interfaces (FOXSI)“ haben sich von 2011 bis 2019 österreichweit 10 experimentelle und theoretische Forschungsgruppen zusammengeschlossen, die sich mit funktionellen Oxiden mit Schwerpunkten auf der Chemie/Physik von Oberflächen/Grenzflächen und auf Brennstoffzellen-Technologie beschäftigten.

Vom Einfachen zum Komplexen

Die Arbeitsgruppe „Nanostrukturierte Modellkatalyse“ von Simon Penner und Bernhard Klötzer vom Institut für Physikalische Chemie der Uni Innsbruck zeichnete dabei für den Teilbereich „Fundamentale Oberflächen- und Grenzflächenchemie an Festkörperoxid-Brennstoffzellen“ verantwortlich: Sie bearbeiteten die Frage, wie die chemischen Prozesse an den Elektroden der Brennstoffzellen bei möglichst niedrigen Temperaturen möglichst effizient gestaltet werden können, um die notwendige Reformierung der Brenngase direkt an der Anode zu optimieren. „Unser Ansatz zum besseren Verständnis der chemisch und strukturell komplexen Oberflächeneigenschaften von Festkörperoxid-Brennstoffzellen war, das System schrittweise in die chemisch konstituierenden Komponenten zu zerlegen. Aus den Eigenschaften der reinen Oxide und reinen metallische Werkstoffe konnten wir so die synergistischen Eigenschaften komplexer Verbundwerkstoffe ableiten. Auf Basis des niedrigsten chemischen und strukturellen Komplexitätsgrades wurden zuerst die Eigenschaften der einzelnen Komponenten der Anodenmaterialien detailliert untersucht“, erklärt Simon Penner. Die Annäherung an die Kompositwerkstoffe wurde in der Folge durch ein hierarchisches Modell der Komplexität dargestellt. Aus diesem Ansatz ist die verbesserte chemische Interaktion, zurückzuführen auf Kombination und Dotation der reinen Werkstoffe im technischen Anodenmaterial, konsequent ableitbar. „Nur durch den Einblick in die Reaktivität der Grundbausteine der Katalysator- und Funktionsmaterialien ist ein vollständiges Verständnis der Funktionsweise der komplexesten Materialien, repräsentiert durch Metall/Intermetall/Oxid-Grenzflächen, auf der höchsten Komplexitätsebene möglich“, erläutert Penner.

 

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