Kera­mi­sche Mem­bra­nen zur Strom­erzeu­gung aus Luft

Freistehende Keramikmembranen für Mikro-Energiewandler – die Art und Weise, wie die Membranen gewellt sind, beeinflusst ihre Eigenschaften. (Bild: Y. Shi et al. / NPG)

Freistehende Keramikmembranen für Mikro-Energiewandler – die Art und Weise, wie die Membranen gewellt sind, beeinflusst ihre Eigenschaften. (Bild: Y. Shi et al. / NPG)

„Ionen sind die neuen Elektronen, die Ionik die Elektronik der Zukunft“, sagt Jennifer Rupp, Professorin für Elektrochemische Materialien an der ETH Zürich und bringt damit ihr Forschungs­gebiet auf den Punkt. Sie stellt mit ihrer Gruppe Keramikmaterialien her, welche geladene Atome wie zum Beispiel Sauerstoff- oder Lithium-Ionen sehr schnell leiten können. Bereits heute werden die elektro­chemischen Eigenschaften dieser Materialien genutzt, etwa in Lambda­sonden von Autokata­lysatoren oder in Festoxid­brennstoff­zellen. Und Rupp ist davon überzeugt, dass die industrielle Bedeutung dieser Materialien stark zunehmen wird – etwa für Gassensoren, für neue Klassen von Daten­speichern und Computer-Schaltkreisen oder zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und umgekehrt.

Eine der derzeit wichtigsten Forschungsfragen in ihrem Gebiet sei, wie man diese in der Regel als dünne Membran vorliegenden Materialien optimieren könne, damit sich in ihnen die Ionen schneller bewegten, so Rupp. Mehrere Doktoranden aus ihrer Gruppe haben jetzt aufgezeigt, dass der Ionentransport sehr stark von der Art und Weise abhängt, wie diese Membranen verspannt sind. Auch ist es ihnen gelungen, die Verspannung der Membranen gezielt zu steuern, was für die Entwicklung künftiger technischer Anwendungen bedeutend ist.

Für ihre Studie arbeiteten die Wissenschaftler mit einer sehr dünnen Keramik-Schicht, konkret mit Gadolinium-dotiertem Ceroxid. „Das ist einer der in der Industrie am häufigsten verwendeten Ionenleiter“, erklärt ETH-Doktorand Sebastian Schweiger. In bisherigen Forschungs­arbeiten auf dem Gebiet ist das Material meist als dünner Film auf einem Silizium-Träger­material untersucht worden. Yanuo Shi, ein weiterer Doktorand in Rupps Gruppe, erstellte aus dem Material jedoch eine frei­stehende Membran, indem er das Träger­material unter der dünnen Keramik­schicht wegätzte. Diese blieb danach nicht etwa flach, sondern wellte sich, weil sich die inneren Spannungen in der Schicht beim Wegätzen veränderten. Auf kleinen Stücken solcher Membranen befestige Shi Mikro­elektroden und stellte so winzige Bauelemente her, mit welchen man aus Wasserstoff oder organischen Verbindungen sowie Sauerstoff aus der Luft Strom erzeugen kann.

Dabei konnten die Forschenden zeigen, dass die Anordnung der Elektroden das Wellen­muster der Keramik­membran sowie die Material­struktur auf Ebene der Atome beeinflusst. Dies wiederum beeinflusst sehr stark die Leitfähigkeit der Membran für Sauerstoff-Ionen. Es gelang den Wissen­schaftlern, diesen Effekt im Detail zu beschreiben. „Damit ist es uns nun erstmals möglich, Wellenmuster und Ionenleit­fähigkeit solcher Membranen gezielt zu steuern“, so Alexander Bork, ein weiterer an der Arbeit beteiligter Doktorand.

Das Wellenmuster von Keramikmembranen hängt davon ab, wie Platin-Elektroden auf den Membranen befestigt werden (mikroskopische Aufnahmen). (Bild: Bild: Y. Shi et al. / NPG)

Das Wellenmuster von Keramikmembranen hängt davon ab, wie Platin-Elektroden auf den Membranen befestigt werden (mikroskopische Aufnahmen; Bild: Y. Shi et al. / NPG)

In den vergangenen Jahrzehnten haben Wissenschaftler vor allem versucht, die Leitfähigkeit solcher Ionenleiter zu verändern, indem sie das Material bewusst mit bestimmten Fremd­atomen dotierten. Die ETH-Forschenden zeigten nun, dass sich die Leitfähigkeit über die Steuerung des Wellenmusters und der Verspannung sehr viel stärker beeinflussen lässt als über die Dotierung.

„Schon in früheren Experimenten ist es Wissenschaftlern aufgefallen, dass die Stromerzeugung in Festoxid­brennstoff­zellen je nach Aufbau solcher Zellen sehr stark variiert. Wir haben nun im Experiment mit der Verspannung des Ionenleiters eine mögliche Erklärung für dieses Verhalten gefunden“, sagt Rupp. Es sei nun möglich, ionenleitende Membranen gezielt zu optimieren. Dies fördere die Entwicklung künftiger Gassensoren, ionen­basierten Daten­speichern sowie Mikro-Energie­wandlern wie beispielsweise Brennstoff­zellen – und womöglich einer ganzen Reihe noch unbekannter Anwendungen in der zukunfts­trächtigen Ionik. (Quelle: ETHZ / vip-journal.de)

Referenz: Y. Shi et al.: The effect of mechanical twisting on oxygen ionic transport in solid-state energy conversion membranes. Nature Materials, 15. Juni 2015; DOI: 10.1038/nmat4278

Link: AG Electrochemical Materials (J. Rupp); Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

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