protonenleitenden

Protonenleitende Materialien sind Substanzen, die Protonen (H+) unter einer angelegten Spannung transportieren, während elektronischer Leitfähigkeit nur eine geringe Rolle zukommt. Sie sind zentral für elektrochemische Anwendungen wie Protonenaustauschmembranen in Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und certain Sensoren, wo der Protonentransport die Trennung von Elektronen und Ionen ermöglicht.

Der Protonentransport erfolgt vorwiegend über zwei Mechanismen: den Grotthuss-Protonensprung entlang eines Netzwerks von Wasserstoffbrückenbindungen oder sauren Gruppen, und den sogenannten Vehicle-Mechanismus, bei dem Protonen als hydronium- oder andere Protonenträger durch das Material diffundieren. In gut hydratisierten oder stark sauerstoffdopinghaltigen Systemen dominiert der Grotthuss-Werner-Sprung; bei niedrigem Feuchtigkeitsgehalt oder in festen anorganischen Leitern spielen andere Transportwege eine größere Rolle.

Zu den Materialklassen gehören Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEMs) wie Nafion, die hohe Protonenkonnektivität bei ausreichender Feuchtigkeit aufweisen (etwa 0,01 bis 0,1 S/cm um 80 °C); sulfonierte Polymere wie SPEEK oder sulfonierte Polyimide als Alternativen für andere Betriebstemperaturen; anhydrische Hochtemperaturleiter wie mit Phosphorsäure dotierte Polybenzimidazole, die bei ~160–200 °C leitfähig sind; sowie anorganische Protonenleiter wie CsHSO4 oder CsH2PO4, die in bestimmten Phasen über große Leitfähigkeiten verfügen. Emerging Materialien umfassen MOFs, COFs und Hybridmaterialien mit gezielt konzipierten Protonenkanälen; auch dopierte Perovskite- oder Darmstadtium-Verbindungen werden erforscht.

Anwendungen liegen vor allem in Brennstoffzellen, Wasserelektrolyseuren und chemischen Sensoren. Herausforderungen sind geringe Leitfähigkeit unter niedriger Feuchtigkeit, thermische und chemische Stabilität, Methanol- oder Fremdgasdurchlässigkeit sowie Kosten. Forschungen zielen auf stabilere Netzwerke, höhere Leitfähigkeit bei praktischen Betriebsbedingungen und kostengünstige Herstellung ab.