Protonenleitende und hydrophile Koordinationspolymere - Darstellung, spektroskopische Charakterisierung und Einsatz in Brennstoffzellmembranen

• Antragsteller: Professor Dr. Norbert Stock; Professor Dr. Michael Tiemann; Professor Dr. Michael Wark
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316657024

Protonenleitende Materialien stellen eine Schlüsselkomponente in Brennstoffzellen für die Erzeugung von Elektrizität und Wärme aus Wasserstoff und Sauerstoff dar. Als derzeitiges Standardmaterial dient Nafion, ein sulfoniertes, perfluoriertes Ionomer, dessen Verwendbarkeit jedoch auf hohe Feuchtegrade und somit niedrige Temperaturen (< 80 °C) beschränkt ist. Daher besteht Bedarf an neuen Funktionsmaterialien, die bei höheren Temperaturen betrieben werden können, vorzugsweise unter wasserfreien Bedingungen. Koordinationspolymere (CPs) stellen diesbezüglich eine vielversprechende Materialklasse dar.Ziel des vorliegenden Projekts ist die Herstellung, das fundamentale Verständnis und die Anwendung protonenleitender Koordinationspolymeren (PCCP) in Brennstoffzellmembranen unterschiedlicher Zusammensetzung sowie die in-situ-Überwachung von Feuchte und Protonenleitung im Anwendungsbetrieb. Besonderes Augenmerk wird auf dem Einbau von -PO3H2- oder -PO3H--Gruppen sowie weiterer protonenübertragender Gruppen liegen, um Materialien mit hoher und stabiler Protonenleitfähigkeit zu erzeugen. Zum verbesserten Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie der Rolle von Wassermolekülen und der Partikelgröße der CPs sollen detaillierte Studien zur Protonenleitung und Feuchte durchgeführt werden. Kompositmembranen aus Polymeren und PCCPs unterschiedlicher Partikelgröße werden hergestellt und hinsichtlich ihrer Eignung als Zellmembranen getestet. Da sich die relative Feuchte nachhaltig auf die Protonenleitung auswirkt, soll ein Feuchtesensor für den in-situ-Einsatz in der Membran unter Last hergestellt werden. Für das Projekt haben wir die Arbeitsgruppen von Norbert Stock (Kiel), Michael Wark (Oldenburg) und Michael Tiemann (Paderborn) zusammengebracht, um die komplementären Expertisen hinsichtlich Synthese/Charakterisierung von Koordinationspolymeren, protonenleitender Membranen und Sensorik synergistisch zu bündeln. Die PCCPs werden in der Stock-Gruppe synthetisiert. Für ausgewählte Systeme sollen dabei Strategien zur Kontrolle der Partikelgröße erarbeitet werden. Die Tiemann-Gruppe wird temperaturaufgelöste impedanzspektroskopische Untersuchungen durchführen, um die Protonenleitung mechanistisch zu untersuchen, und außerdem ein Sensorelement auf der Basis eines elektrischen Randfeldes (fringing electric field, FEF) entwickeln. Dieses Sensorelement wird in-situ-Impedanzmessungen an den Kompositmembranen ermöglichen, welche in der Wark-Gruppe hergestellt und umfangreich getestet werden. Für die Membranen sollen verschiedene Polymere mit Sulfonat- und Phosphonat-Gruppen sowie Säure-/Base-Polymermischungen verwendet werden. Außerdem sollen Membranen hergestellt und untersucht werden, die aus abwechselnden PCCP- und Polymerschichten bestehen. In enger Zusammenarbeit mit dem EWE-Forschungszentrum NEXT ENERGY sollen schließlich Membran-Elektroden-Anordnungen für einen Messstand unter realistischen Brennstoffzellen-Bedingungen getestet werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1928: Koordinationsnetzwerke als Bausteine für Funktionssysteme