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Dreidimensionale Darstellung der Protonenleitfähigkeit bei einer Ortsauflösung von zehn Nanometern. Die Leitfähigkeit zeigt scharfe Spitzen oder Bündel von Spitzen, dazwischen liegen "schlafende" Bereiche. Abbildung: Universität Stuttgart
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Die aus dem Polymer Nafion bestehenden Membran ist einseitig mit einer Schicht aus einem Platin-Katalysator belegt. Diese dient gleichzeitig als Anode einer elektrochemischen Zelle, an der beim Anlegen einer ausreichend hohen Spannung und mit Hilfe von Sauerstoff Wasser oxidiert wird. Dabei kommt es zur Freisetzung von Protonen, die durch die Membran zur Nanokathode, der Platin-beschichteten, leitfähigen Spitze des Kraftmikroskops, wandern und dort mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft wieder zu Wasser reagieren. Bedingung für das Eintreten dieser elektrochemischen Reaktionen ist, dass sich die Spitze über Bereichen der Membranoberfläche befindet, in denen die Protonen-leitenden Strukturen der Membran enden; nur dann lässt sich ein Stromfluss messen. Im Kontakt mit hydrophoben (wasserabweisenden) Bereichen dagegen konnte kein Strom nachgewiesen werden. Um die Leitfähigkeit der Membran experimentell zu messen, setzten die Wissenschaftler die so genannte Raster-Kraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy) ein. Mit dieser Messmethode kann eine Auflösung von zehn Nanometern erreicht werden, was die Auflösung konventioneller Messungen um viele Größenordnungen übersteigt. Für die Untersuchung werden der Messkopf sowie die Probe bei einer konstanten Feuchtigkeit klimatisiert. Anschließend werden die Messwerte dreidimensional visualisiert. Dabei zeigt sich die Leitfähigkeit als scharfe Spitzen und Bündel von Spitzen, die sich wie die direkte Abbildung von Leitfähigkeitskanälen präsentieren. Überraschenderweise liegen dazwischen große "schlafende" Bereiche ohne Protonenleitung. Die Messungen erlauben eine gezielte Verbesserung des Herstellungsprozesses von Brennstoffzellen, zum Beispiel der Temperatur beim Gießen der Membran oder der Art des eingesetzten Lösungsmittels. Namhafte Autofirmen interessieren sich bereits für die neue Methode, die derzeit für eine breite Anwendung ausgebaut wird. Bereits im vergangenen Jahr wurden die Projektteilnehmer bei dem von der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart ausgeschriebenen Innovationswettbewerb "f-cell Award" mit einem Sonderpreis ausgezeichnet.
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