Graphen-Membran – durchlöchert ideal für Brennstoffzellen

Evanston (USA) - 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 amerikanische 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 M. Geiger von der Northwestern University in Evanston. Zusammen mit seinen Kollegen suchte er daher mit Computersimulationen und ersten Experimenten nach einer Lösung für dieses Problem. Gefunden haben sie diese mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop: Nicht ganz perfekte Graphen-Schichten mit wenigen Fehlstellen, also etwas größeren Lücken im sonst regelmäßigen Netzwerk der Kohlenstoffatome.

Wenn eine Lücke von mindestens vier Kohlenstoff-Atomen in der Graphen-Schicht klaffte, bildeten sich Kohlenstoff-Radikale an den Lückenrändern aus. An diese dockten in wässriger Umgebung mehrere Hydroxyl-Gruppen an, um die Öffenung zu stabilisieren. „Dadurch wurde das Loch zwar etwas kleiner, doch Protonen konnten nun leichter durch die Membran gelangen“, sagt Geiger. Nach seinen 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.