Protonenleiter

Protonenleiter sind Materialien, die Protonen (H+) als dominante Ladungsträger über längere Strecken transportieren. Sie sind in der Festkörperchemie, der Polymerelektronik und der Elektrochemie von zentraler Bedeutung, insbesondere in Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Sensoren, in denen der Protonentransport eine Schlüsselrolle spielt. Protonenleiter können als Festkörper, als polymerbasierte Elektrolyte oder als Mischformen auftreten.

Der Transfer erfolgt vorwiegend über zwei Mechanismen: den Grotthuss‑Mechanismus, bei dem Protonen durch ein Netzwerk aus Wasserstoffbrücken hopsen, und den Vehicle‑Mechanismus, bei dem Protonen mit Trägern (etwa H3O+) verschleppt werden. In polymeren Elektrolyten entstehen Protonenchannels durch saure Gruppen (z. B. Sulfonsäure) und Feuchtigkeitsaufnahme; in Festkörperleitern hängt die Qualität des Netzwerks von Hydration, Struktur und Vakanzendichte ab.

Typische Materialklassen umfassen organische/protonenleitende Polymere wie Nafion und sulfonierte Membranen (z. B. SPEEK); sowie anorganische Festkörperleiter wie dopierte BaCeO3- oder BaZrO3‑Keramiken, meist mit yttrium- oder anderen Trägerionen, um Protonenleitfähigkeit zu ermöglichen. Hochtemperaturleiter wie CsHSO4 und CsH2PO4 zeigen bei erhöhten Temperaturen signifikante Protonenkonduktivität. Protonische Keramiken mit Perowskit- oder Schichtstrukturen haben besonderes Forschungsinteresse für hybride oder Hochtemperatur-Systeme.

Anwendungen umfassen Protonenaustauschmembranen in PEM-Brennstoffzellen, elektrochemische Wasseraufspaltung, Gas- bzw. Feuchtigkeitssensoren sowie andere elektrochemische Bauelemente. Vorteile der Protonenleitung sind niedrige Elektronentransportverluste und Kompatibilität mit Wasserprodukten, doch Herausforderungen bleiben Stabilität bei Feuchtigkeit, chemische Beständigkeit, mechanische Eigenschaften und Kosten.