Vätgas betraktas som framtidens energikälla:Det produceras med solenergi och kan användas för att generera värme och el i bränsleceller. Empa-forskare har nu lyckats avkoda vätejonernas rörelse i kristaller – ett nyckelsteg mot en effektivare energiomvandling i morgondagens väteindustri.

Som laddningsbärare, elektroner och joner spelar den ledande rollen i elektrokemiska energilagringsenheter och omvandlare som batterier och bränsleceller. Protonledningsförmåga är avgörande för det senare; protoner, dvs positivt laddade vätejoner, bildas av väte, som används för att driva bränslecellen. Empa-fysikern Artur Braun och Qianli Chen, doktorand vid ETH Zürich, genomförde neutronspridningsexperiment på Swiss Spallation Neutron Source (SINQ) vid Paul Scherrer Institute (PSI) som dokumenterar rörligheten för protoner i kristallgittret. I processen, de observerade att protonrörelserna i keramiska bränsleceller lyder mycket mer komplexa lagar än vad man tidigare antagit:Protonernas rörelse sker enligt den så kallade polaronmodellen, som forskarna nyligen rapporterade i den välrenommerade tidskriften Naturkommunikation .

Under en lång tid, polaronteorin som utvecklades av den ryske fysikern och eventuella Nobelpristagaren Lev Davidovich Landau 1933 gällde endast elektroner. Modellen beskriver hur elektroner "maskar" sig igenom en dielektrisk kristall och tvingar "störande" atomer ur position, vilket saktar ner elektronerna. Med andra ord, polaroner är rörelsevågor i kristallen, vars spridning kan beskrivas som en partikels bana. De kan avledas och reflekteras.

Elektronpolaronen har länge varit en pelare i teoretisk fysik och den obestridda grunden för tillämpade modellberäkningar i expertkretsar. Däremot förekomsten av en vätepolaron – det vill säga en vätejon som "hoppar" från en position till nästa – var bara en spekulativ teori fram till nu. Även om biologer använde modellen för att hoppa väteatomer för att förklara vissa metaboliska processer, Fasta tillståndsfysiker betraktade inte vätepolaroner som en giltig förklaringsmodell.

Detta kan nu ändras:Baserat på experiment med yttriumdopad bariumceriumoxid och bariumzirkoniumoxidkristaller, Braun och Chen lyckades bevisa att protonen polaron fanns. I torrt tillstånd, dessa kristaller är icke-ledande. Om de utsätts för en ångatmosfär, dock, OH-grupper bildas inuti kristallstrukturen. Frigjorda protoner kan sedan röra sig på ett vågliknande sätt och oxiden blir jonledande.

Värme och högt tryck ger bevis

Braun och Chen hittade bevis på vätejonvågor genom att studera kristallerna under olika högtrycksförhållanden och vid temperaturer på upp till 600 grader Celsius. Empas goda anslutningsmöjligheter i den vetenskapliga världen var avgörande:proverna röntgades på PSI:s neutronkälla och högtrycksexperimenten på kristallerna utfördes i samarbete med forskare från fakulteten för geovetenskap/geografi vid Goethe-universitetet, Frankfurt am Main.

Resultatet:Vid temperaturer mellan 220 och 520 grader, konduktiviteten ökar i exakt samma utsträckning som förutspåtts i modellberäkningar för kristallens gittervibrationer. Protonerna är därför initialt bundna i kristallgittret och börjar hoppa genom kristallen från en OH-grupp till en annan i kombination med gittervibrationer när de värms upp. Om kristallen utsätts för högt tryck med en speciell komprimator, det finns mindre utrymme för protonhoppen och konduktiviteten sjunker igen. Detta bevisar att polaronmodellen gäller både elektroner och protoner. "Och vem vet, Kanske gäller teorin även för andra joner som litium, " spekulerar Braun.

Empa-forskarnas fynd kan snart ge viktig information om val av material för bränsleceller och vätgaslagringssystem – och därmed påverka framtidens energiförsörjning. Dock, beteendet hos keramiska isolatorer kan också mätas mer effektivt nu:isolerar de fortfarande bra i höga temperaturer i den fuktiga utomhusluften? Eller uppstår strömläckor som kan hänföras till polaronledning? Tack vare Braun och Chens projekt, som finansierades av Swiss National Science Foundation (SNSF), vissa materialvetenskapliga gåtor kan därmed lösas.