Waterstof wordt beschouwd als de energiebron van de toekomst:het wordt geproduceerd met zonne-energie en kan worden gebruikt om warmte en elektriciteit op te wekken in brandstofcellen. Empa-onderzoekers zijn er nu in geslaagd de beweging van waterstofionen in kristallen te decoderen - een belangrijke stap naar een efficiëntere energieconversie in de waterstofindustrie van morgen.

Als ladingdragers, elektronen en ionen spelen de hoofdrol in elektrochemische energieopslagapparaten en -omvormers zoals batterijen en brandstofcellen. Voor dat laatste is de geleidbaarheid van protonen cruciaal; protonen, d.w.z. positief geladen waterstofionen, worden gevormd uit waterstof, die wordt gebruikt om de brandstofcel van stroom te voorzien. Empa-fysicus Artur Braun en Qianli Chen, een doctoraatsstudent aan de ETH Zürich, voerde neutronenverstrooiingsexperimenten uit op de Swiss Spallation Neutron Source (SINQ) bij het Paul Scherrer Institute (PSI) die de mobiliteit van protonen in het kristalrooster documenteren. In het proces, ze merkten op dat de protonbewegingen in keramische brandstofcellen veel complexere wetten gehoorzamen dan eerder werd aangenomen:de beweging van de protonen vindt plaats volgens het zogenaamde polaronmodel, zoals de onderzoekers onlangs meldden in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie .

Voor een lange tijd, de polarontheorie ontwikkeld door de Russische natuurkundige en uiteindelijke Nobelprijswinnaar Lev Davidovich Landau in 1933 was alleen van toepassing op elektronen. Het model beschrijft hoe elektronen zich een weg banen door een diëlektrisch kristal en "storende" atomen uit hun positie dwingen, wat de elektronen afremt. Met andere woorden, polarons zijn bewegingsgolven in het kristal, waarvan de verspreiding kan worden beschreven als de baan van een deeltje. Ze kunnen worden afgebogen en gereflecteerd.

Het elektronenpolaron is lange tijd een pijler geweest van de theoretische fysica en de onbetwiste basis voor toegepaste modelberekeningen in expertkringen. Daarentegen, het bestaan ​​van een waterstofpolaron - d.w.z. een waterstofion dat van de ene positie naar de andere "springt" - was tot nu toe slechts een speculatieve theorie. Hoewel biologen het model van springende waterstofatomen gebruikten om bepaalde metabolische processen te verklaren, vastestoffysici beschouwden waterstofpolarons niet als een geldig verklarend model.

Dit zou nu kunnen veranderen:op basis van experimenten met met yttrium gedoteerde bariumcerineoxide en bariumzirkoniumoxidekristallen, Braun en Chen slaagden erin het bestaan ​​van het protonpolaron te bewijzen. In droge toestand, deze kristallen zijn niet-geleidend. Als ze worden blootgesteld aan een stoomatmosfeer, echter, OH-groepen vormen zich in de kristalstructuur. Vrijgekomen protonen kunnen dan op een golfachtige manier bewegen en het oxide wordt ionisch geleidend.

Hitte en hoge druk leveren het bewijs

Braun en Chen vonden bewijs van waterstofionengolven door de kristallen te bestuderen onder verschillende hogedrukomstandigheden en bij temperaturen tot 600 graden Celsius. Empa's goede connectiviteit in de wetenschappelijke wereld was cruciaal:de monsters werden geröntgend op de neutronenbron van PSI en de hogedrukexperimenten op de kristallen werden uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van de faculteit Geowetenschappen/Geografie van de Goethe-universiteit, Frankfurt am Main.

Het resultaat:bij temperaturen tussen 220 en 520 graden, de geleidbaarheid neemt in precies dezelfde mate toe als voorspeld in modelberekeningen voor de roostertrillingen van het kristal. De protonen zijn daarom aanvankelijk gebonden in het kristalrooster en beginnen door het kristal van de ene OH-groep naar de andere te springen in het concert van roostertrillingen wanneer ze worden verwarmd. Als het kristal wordt blootgesteld aan hoge druk met een speciale compactor, er is minder ruimte voor de protonsprongen en de geleidbaarheid daalt weer. Dit bewijst dat het polaronmodel van toepassing is op zowel elektronen als protonen. "En wie weet, misschien geldt de theorie ook voor andere ionen zoals lithium, " speculeert Braun.

De bevindingen van de Empa-onderzoekers kunnen binnenkort belangrijke informatie opleveren over de materiaalkeuze voor brandstofcellen en waterstofopslagsystemen – en zo de energievoorziening van de toekomst beïnvloeden. Echter, het gedrag van keramische isolatoren kan nu ook beter worden gemeten:isoleren ze nog goed bij hoge temperaturen in de vochtige buitenlucht? Of ontstaan ​​er stroomlekken die kunnen worden toegeschreven aan polarongeleiding? Dankzij het project van Braun en Chen, die werd gefinancierd door de Zwitserse National Science Foundation (SNSF), bepaalde raadsels van de materiaalwetenschap kunnen zo worden opgelost.