Een internationaal team van wetenschappers is er in geslaagd om de fysisch-chemische reacties in een brandstofcel op nanometer-niveau waar te nemen en te beschrijven. Met behulp van nieuwe microscooptechnieken kan het proces van zuurstof-reductie, dat voor het produceren van energie in een brandstofcel belangrijk is, worden vastgelegd met een resolutie van een miljoenste millimeter. De onderzoeken moeten bijdragen aan de realisatie van efficiënte en krachtiger waterstof brandstofcellen.
Een waterstof brandstofcel is opgebouwd uit twee tegenover elkaar liggende elektroden, gescheiden door een ionengeleider. De elektrische energie wordt verkregen door de uitwisseling van ionen tussen de beide elektroden: in de lucht opgelost zuurstof reageert met van buitenaf toegevoerd waterstof.
Bij deze zogenaamde zuurstofreductie speelt een katalysator (vaak het zeldzame en dure edelmetaal platina) een belangrijke rol. Het proces van de zuurstofreductie is echter ook de beperkende factor voor de langere levensduur en de efficiëntie van brandstofcellen.
Nieuwe microscopietechniek
Om de ionenuitwisseling tussen de elektroden te kunnen optimaliseren, moeten elementaire vragen worden beantwoord zoals hoe en waar precies bevindt de reductie van zuurstof plaats en op welke manier functioneert platina als katalysator? Voor het decoderen van het reactieverloop ontbrak het onder-zoekers lange tijd aan een geschikt onderzoeksinstrument.
Het internationale team heeft een nieuwe microscopietechniek ontwikkeld, waarmee de ionenuitwisseling op nanometergrootte kan worden waargenomen. Het proces wordt aangeduid als Electrochemical Strain Microscopy (ESM).
Deze techniek is gebaseerd op een wiskundig model, een zogenaamde partiële differentiaalvergelijking, die de beweging van zuurstof in verschillende materialen beschrijft. Door deze wiskundige beschrijving konden de meetdata op een beeldscherm worden gevisualiseerd. Daarbij is gebleken dat de katalysatorlaag van 50 nm grote platinadeeltjes niet overal evenveel ionenuitwisseling toelaat.
Internationale samenwerking
De innovatieve microscopietechniek hoeft niet alleen voor de doorontwikkeling van brandstofcellen te worden gebruikt. Volgens de wetenschappers kunnen ook chemische processen aan alle oppervlakken worden onderzocht, waarbij materialen door ionenuitwisseling met elkaar reageren.
De wetenschappers zijn werkzaam aan de Heidelberger Graduiertenschule der mathematischen und computergestützten Methoden für die Wissenschaften (onderdeel van de Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg), het Oak Ridge National Laboratory (Oak Ridge, Tennessee) en de National Academy of Sciences in Kiew (Oekraïne).
