Computersimulation einer Graphenschicht mit Lücken im regelmäßigen Kohlenstoff-Gitter

Lücken in Graphen-Membranen nützlich für Brennstoffzellen

Graphen-Schichten bestehen nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatome und gelten als gute Kandidaten für haltbare Membranen in Brennstoffzellen. Allerdings müssen bei Raumtemperatur Protonen auf ihrer Wanderung durch die Membran eine hohe Energiebarriere überwinden. Feinste Fehlstellen im Graphen dagegen könnten diesen Protonentransport deutlich erleichtern, berichtet nun eine Forschergruppe in der Fachzeitschrift „Nature Communications“. Ihre Entdeckung könnte die Entwicklung von effizienten Brennstoffzellen mit Graphen-Membranen beschleunigen.

„Unsere Simulationen zeigten, dass Protonen bei Zimmertemperatur nicht durch Graphen tunneln können“, sagt Franz Geiger von der Northwestern University in Evanston. Der Forscher und seine Kollegen suchten in Computersimulationen und Experimenten mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop nach einer Lösung für dieses Problem. Ihr Ergebnis: Nicht ganz perfekte Graphen-Schichten mit wenigen Fehlstellen, also etwas größeren Lücken im sonst regelmäßigen Netzwerk der Kohlenstoffatome, können den Protonentransport begünstigen.

Wenn eine Lücke von mindestens vier Kohlenstoffatomen in der Graphen-Schicht klaffte, bildeten sich Kohlenstoffradikale an den Lückenrändern aus. An diese dockten in wässriger Umgebung mehrere Hydroxylgruppen an, um die Öffnung zu stabilisieren. „Dadurch wurde das Loch zwar etwas kleiner, doch Protonen konnten nun leichter durch die Membran gelangen“, erklärt Geiger. Nach den Berechnungen wurden die Protonen über einen mehrstufigen Prozess durch die Öffnung quasi durchgereicht. Dieser Vorgang funktionierte allerdings nur für Protonen, wodurch die für eine Brennstoffzelle wichtige Selektion gewährleistet werden konnte.

Auf dieser Grundlage könnten nun Brennstoffzellen mit extrem dünnen und teilweise bewusst defekten Graphen-Schichten konstruiert werden. Dann muss sich zeigen, dass ausschließlich Protonen in ausreichender Zahl durch die Membran wandern können. Im Erfolgsfall könnten heute verwendete, teils recht teure Membranen durch Graphen-Schichten ersetzt und potenziell günstigere Brennstoffzellen entwickelt werden.