Brennstoffzellen erleben einen revolutionären Durchbruch! Rubidiumbasierte Materialien könnten der Schlüssel sein
Rubidium könnte die nächste Schlüsselrolle in der Entwicklung von Oxidionenleitern spielen. Ein Forschungsteam der Tokyo University of Science hat ein neues Rubidium-haltiges Oxidionenleitmaterial, Rb₅BiMo₄O₁₆, entdeckt, dessen Leitfähigkeit deutlich besser ist als die bisheriger Materialien. Durch computergestützte Screening-Verfahren und experimentelle Bestätigung wurde festgestellt, dass die überlegene Leistung auf strukturelle Merkmale wie niedrige Aktivierungsenergie, großes freies Volumen und tetraedrische Bewegungen zurückzuführen ist. Die Stabilität dieses Materials unter verschiedenen Umweltbedingungen eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) und sauberen Energietechnologien.
Oxidionenleiter spielen eine entscheidende Rolle in SOFCs, da sie den Transport von Oxidionen (O²⁻) in Festkörpern ermöglichen. SOFCs können nicht nur Wasserstoff, sondern auch Erdgas, Biogas und sogar flüssige Kohlenwasserstoffe als Brennstoff nutzen. Diese Flexibilität macht sie im Übergang zur Wasserstoffwirtschaft besonders wertvoll. Allerdings wird die breite Anwendung von SOFCs noch durch hohe Kosten, Haltbarkeit und Betriebstemperaturen eingeschränkt. Die Entwicklung effizienterer Oxidionenleiter ist der Schlüssel zur Bewältigung dieser Herausforderungen.
Das Forschungsteam hat durch systematische Untersuchungen von 475 Rubidium-haltigen Oxiden festgestellt, dass Oxide mit Palmierit-Struktur, die eine ähnliche Kristallstruktur wie das natürliche Mineral Palmierit aufweisen, eine relativ niedrige Aktivierungsenergie für die Oxidionenwanderung zeigen. Unter Berücksichtigung des Potenzials von Bismut (Bi) und Molybdän (Mo) Oxiden für hohe Leitfähigkeit wählte das Team schließlich Rb₅BiMo₄O₁₆ als Forschungsobjekt aus. Experimente haben gezeigt, dass dieses Material bei 300°C eine Oxidionenleitfähigkeit von 0,14 mS/cm erreicht, was 29-mal höher ist als die von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) und vergleichbar mit führenden Oxidionenleitern mit ähnlichen tetraedrischen Strukturen. Die hohe Leistung ist auf die durch große Rubidiumatome verringerte Aktivierungsenergie, die rotatorische Anordnung der MoO₄-Tetraeder und die anisotrope thermische Vibration der Sauerstoffatome zurückzuführen. Darüber hinaus tragen die freien Elektronenpaare der Bismut-Kationen zur weiteren Verringerung der Aktivierungsenergie für die Ionenwanderung bei.
Rb₅BiMo₄O₁₆ zeigt unter verschiedenen Bedingungen wie hohen Temperaturen, CO₂, feuchter Luft und wasserstoffhaltigem Stickstoff hervorragende Stabilität und bleibt sogar in Wasser stabil. Diese Entdeckung eröffnet neue Wege zur Entwicklung von Oxidionenleitern mit hoher Leitfähigkeit und Stabilität, was die Betriebstemperaturen und Kosten von SOFCs senken und ihre Anwendung im Bereich der sauberen Energie vorantreiben könnte. In Zukunft könnte dieses Material auch in Sauerstoffmembranen, Gassensoren und Katalysatoren eingesetzt werden und somit weitere Möglichkeiten für nachhaltige Entwicklung bieten.
Informationsquelle: Die Website von Science Daily (www.sciencedaily.com)
