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Für ihn nicht überraschend. Schließlich werde weltweit auf Hochtouren
an Verbesserungen der Wasserstoff-Brennstoffzelle zur
Energieversorgung geforscht. Überdies seien er und seine aus
Argentinien stammende Kollegin Santos seit Jahren in verschiedene
nationale wie internationale Forschungsnetzwerke und Projekte
eingebunden, unter anderem gefördert von der Europäischen Union, der
Deutschen Forschungsgemeinschaft und vom argentinischen Staat. Im
Blickpunkt dabei insbesondere: Wasserstoff als zentraler
Energieträger, die Entwicklung eines effizienteren Katalysators für
die Wasserstoff-Gewinnung und ein besserer Wirkungsgrad der daraus
gewonnenen Energie. Untersuchen wollen Schmickler und Santos in diesem
Zusammenhang unter anderem auch den Einfluss von Nanostrukturen auf
Elektroden. Mit unterschiedlichsten Materialien versteht sich, zum
Beispiel einer einatomigen Schicht Palladium auf Gold.
Darüber hinaus wollen sich die beiden auf Physikalische Chemie
spezialisierten Ulmer Wissenschaftler künftig einem nicht minder
ehrgeizigen Vorhaben widmen: "Wir wollen jetzt die Elektrokatalyse von
der Sauerstoff-Seite her angehen", sagt Schmickler und vermutet: "Das
ist noch schwieriger." Auch ihre jetzt vorgelegte Arbeit freilich war
das Ergebnis langjähriger Überlegungen, Vermutungen, Berechnungen und
Experimente, zum Teil unterstützt von weiteren Wissenschaftlern der
Universitäten Ulm und Cordoba/Argentinien.
Die Frage also, wie ein Metall die Geschwindigkeit einer
elektrochemischen Reaktion des Wasserstoffs beeinflusst. Abhängig vom
Elektrodenmaterial mit enormen Unterschieden nämlich. "Die
Geschwindigkeit verändert sich um bis zu sechs Zehner-Potenzen", macht
Professor Schmickler deutlich und beschreibt einen bildhaften
Vergleich: "Bei Blei verläuft die Reaktion im Ameisen-Tempo, Platin,
aus gutem Grund bereits in herkömmlichen Brennstoffzellen verwendet,
ermöglicht Jet-Geschwindigkeit." Aber warum?
Schmicklers und Santos' Modell zufolge erklärt sich dies durch die
Aktivierungsenergie für die Anhebung der Wasserstoff-Elektronen zum so
genannten Fermi-Niveau, dem jedem Metall eigenen Energie-Niveau mit
folgender Eigenschaft: Alle Niveaus mit Energien unterhalb des
Fermi-Niveaus sind mit Elektronen besetzt, die Niveaus darüber sind
leer. Zu Beginn der Reaktion haben die Elektronen im
Wasserstoffmolekül eine Energie unterhalb des Fermi-Niveaus. Damit die
Reaktion stattfinden kann, müssen sie zum Fermi-Niveau angehoben
werden, so dass sie auf ein leeres Niveau im Metall übergehen können.
Gleichzeitig bricht die Bindung im Molekül und es entstehen zwei
positiv geladene Wasserstoff-Ionen, die im Elektrolyten weiter zu
Wasser reagieren.
Je höher nun die Aktivierungsenergie, desto langsamer die Reaktion.
Die Aktivierungsenergie kann aber erheblich herabgesetzt werden, wenn
das Wasserstoff-Molekül stark mit gewissen Metallorbitalen, so
genannten d-Bändern, am Fermi-Niveau wechselwirkt. Professor Wolfgang
Schmickler: "Anschaulich ausgedrückt nutzt das System einen Effekt
aus, den jeder gute Hochspringer kennt: Er windet seinen Körper so um
die Latte, dass der Schwerpunkt seines Körpers unter ihr durchgeht,
während sein Körper sie oberhalb passiert."
Die Lage der d-Bänder, ihre Struktur und die Stärke ihrer
Wechselwirkung mit Wasserstoff schwanke sehr stark von Metall zu
Metall, so Schmickler weiter. Dies erkläre die große Variation in der
Reaktionsgeschwindigkeit. Nicht nur für den Ulmer Wissenschaftler ein
wichtiger Aspekt: "Ein Vergleich er von uns berechneten
Geschwindigkeiten mit experimentellen Daten zeigt eine gute
Übereinstimmung.
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