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Wie Protonen durch Brennstoffzellen wandern
Empa-Physiker Artur Braun und Qianli Chen, Doktorandin an der ETH Zürich, führten an der «Swiss Spallation Neutron Source» (SiNQ) am Paul-Scherrer-Institut (PSI) Neutronenstreuungsexperimente durch, welche die Beweglichkeit von Protonen im Kristallgitter dokumentieren. Dabei beobachteten sie, dass die Protonenbewegungen in keramischen Brennstoffzellen weit komplexeren Gesetzmässigkeiten gehorchen als bisher angenommen: Die Wanderung der Protonen erfolgt gemäss dem sogenannten Polaronen-Modell, wie die Forscher vor Kurzem in dem renommierten Fachblatt «Nature Communications» berichteten.
Das Polaronen-Modell
Die Versuche wurden an Barium-Cer-Oxid durchgeführt. Wenn der Kristall feucht wird, wandern Protonen in Form von OH-Gruppen von oben nach unten durch den Kristall an den Sauerstoffatomen (rote Kugeln) entlang.
Die Polaronen-Theorie hatte der russische Physiker und spätere Nobelpreisträger Lew Davidowitsch Landau 1933 entwickelt; sie galt lange Zeit nur für Elektronen. Das Modell beschreibt, wie sich Elektronen durch einen dielektrischen Kristall «zwängen» und dabei «störende» Atome aus ihrer Position drücken. Dies vermindert die Geschwindigkeit der Elektronen. Polaronen sind also Bewegungswellen im Kristall, deren Ausbreitung sich wie die Flugbahn eines Teilchens beschreiben lässt. Das Elektron-Polaron ist längst eine Säule der theoretischen Physik und in der Fachwelt Grundlage für angewandte Modellrechnungen. Im Gegensatz dazu war die Existenz eines Wasserstoff-Polarons bislang nur spekulative Theorie.
Das könnte sich nun ändern: Braun und Chen konnten anhand von Versuchen mit Yttrium-dotierten Barium-Ceroxid- und Barium-Zirkonoxid-Kristallen die Existenz des Proton-Polarons belegen. Diese Kristalle sind in trockenem Zustand nicht leitend. Setzt man sie einer Wasserdampf-Atmosphäre aus, dann bilden sich im Inneren der Kristallstruktur OH-Gruppen. Frei werdende Protonen können dann wellenartig wandern. Das Oxid wird dadurch ionisch leitend.
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