New solid proton conductors [Elektronische Ressource] : functionalized mesoporous SiO_1tn2 materials for application in high temperature PEM fuel cell membranes / von Roland Marschall

Roland Marschall

Informations

• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 82
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

New solid proton conductors:
Functionalized mesoporous SiO materials 2
for application in high temperature PEM
fuel cell membranes


Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des Grades



Doktor der Naturwissenschaften
- Dr. rer. nat. -



genehmigte Dissertation
von


Dipl.-Chem. Roland Marschall

geboren am 24.05.1980 in Hannover






2008








































Referent: Prof. Dr. Jürgen Caro
Korreferent: Prof. Dr. Josef-Christian Buhl
Tag der Promotion: 04.06.2008














Für meine Eltern

















(…) „Jawohl mit Wasser“, sagte Cyrus Smith, „mit Wasser, das durch elektrischen
Strom zerlegt worden ist. In jener Zeit wird die Elektroenergie ungeahnte
Möglichkeiten eröffnet haben, es ist überhaupt einzigartig, wie sich die
verschiedensten Erfindungen durch geheimnisvolle Übereinstimmung immer wieder
ergänzen. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff,
werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.
Eines Tages werden Dampfer und Lokomotiven keine Kohlebunker mehr führen,
sondern Gastanks, aus denen komprimierte Gase durch Rohre in die Heizkessel
strömen. Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“(…)

Jules Verne, Die geheimnisvolle Insel (1874). Erklärung

Hierdurch erkläre ich, dass ich die Dissertation „New solid proton conductors:
Functionalized mesoporous SiO materials for application in high temperature PEM fuel 2
cell membranes“ als Mitarbeiter des Instituts für Physikalische Chemie und
Elektrochemie der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover selbstständig
verfasst und alle benutzten Hilfsmittel sowie evtl. zur Hilfeleistung herangezogene
Institutionen vollständig angegeben habe.

Die Dissertation wurde nicht schon als Diplom- oder ähnliche Prüfungsarbeit
verwendet.






Hannover, 07.04.2008
Dipl.-Chem. Roland Marschall

























Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei allen ganz herzlich bedanken, die zum Gelingen
dieser Arbeit beigetragen haben.

Zuerst möchte ich mich natürlich bei Prof. Dr. Michael Wark für die sehr gute
Betreuung meiner Doktorarbeit in den letzten drei Jahren bedanken, vor allem, weil er
mich jederzeit in allen Belangen unterstützt hat, und mich durch kritisches Hinterfragen
und Motivieren, aber auch durch beruhigende Gespräche zur rechten Zeit immer wieder
auf das Wichtige fokussiert hat.

Natürlich danke ich auch Prof. Dr. Jürgen Caro, in dessen Arbeitsgruppe ich nach
meiner Diplomarbeit nun auch meine Doktorarbeit anfertigen durfte, und der immer ein
offenes Ohr für fachliche Diskussionen und Anregungen für meine Arbeit hatte.

Prof. Dr. Josef-Christian Buhl danke ich für die sehr gute Betreuung im Rahmen des
Promotionsprogramms des ZFM während der letzten drei Jahre, und für die Anfertigung
des Gutachtens zu meiner Arbeit.

Des Weiteren bedanke ich mich bei Prof. Dr. Max Lu von der University of
Queensland, der mir die Gelegenheit gab, bei meinem Forschungsaufenthalt in Brisbane
drei wundervolle Monate im faszinierenden Australien zu verbringen. Diese Zeit hat mir
in vielerlei Hinsicht die Augen geöffnet, und ich bin unglaublich dankbar für diese
einmalige Erfahrung. Natürlich danke ich auch Dr. Lianzhou Wang für die
wissenschaftliche Betreuung während meiner Zeit in Brisbane.

Außerdem danke ich Dr. Ji ří Rathouský vom J. Heyrovský Institut für Physikalische
Chemie in Prag für die jederzeit gute Zusammenarbeit, auch während meines
Forschungsaufenthalts.

Natürlich möchte ich mich bei meinen Kooperationspartnern aus dem DFG-SPP 1181
für die Zusammenarbeit bedanken, bei Prof. Dr. Georg Grathwohl, Dr. Dietmar Koch,
Dr. Michael Jeske und Dr. Michaela Wilhelm vom Institut für Keramische Materialien
und Komponenten der Universität Bremen für die Bereitstellung der Polysiloxane zur
Fertigung von Kompositmembranen, und bei Prof. Dr. Thomas Frauenheim,
Dr. Christof Köhler, Dr. Welchy L. Cavalcanti und Pia Tölle vom BCCMS der Uni
Bremen für die theoretisch-chemischen Berechnungen.

Dr. Dominique Gomes und Dr. Suzana P. Nunes vom GKSS in Geesthacht danke ich
für die gute Zusammenarbeit bei der Herstellung der Kompositmembranen mit den zur
Verfügung gestellten Polyoxadiazolen.

Birgit Beiße, Songül Noyun und Falk Heinroth vom Institut für Anorganische Chemie
der Leibniz Universität Hannover danke ich für die Unterstützung bei IR-, TG- und
Stickstoffadsorptionsmessungen. Dr. Armin Feldhoff und Frank Steinbach danke ich für die Hilfe in allen Fragen zu
REM und TEM, für Probenpräparation, und für TEM-Messungen.

Ganz besonders möchte ich mich bei Inga Bannat, Britta Seelandt und Katrin Wessels
bedanken; für die gemeinsame Zeit in Labor und Büro, für die langen Sitzungen am
TEM und die tollen Bilder, für die vielen gemeinsamen Tagungserlebnisse, aber auch
einfach für die Unterstützung und die passenden Motivationsschübe zur richtigen Zeit.

Weiterhin möchte ich mich bei allen weiteren Mitarbeitern des Arbeitskreises für die
Hilfsbereitschaft bedanken, bei Mirko Arnold, Daniel Albrecht, Cathrin Boeckler,
Christian Dunkel, Stefan Frisch, Yvonne Gabbey-Uebe, Kerstin Janze, Julia-Maria
Martynczuk, Melanie Minnermann, Torsten Oekermann, Yvonne Selk, Monir Sharifi,
Sven Wiebcke und Viktor Yarovyi.

Des Weiteren gilt mein Dank den Mitarbeitern sowohl der Elektronikwerkstatt als auch
der mechanischen Werkstatt für ihre Tatkraft und Hilfe.

Für die finanzielle Unterstützung danke ich dem Land Niedersachsen und dem
Ministerium für Wissenschaft und Kultur für die Förderung durch ein Georg-Christoph-
Lichtenberg-Stipendium.

Schließlich danke ich ganz herzlich meinen Eltern, denen ich diese Arbeit widme, für
die ununterbrochene Unterstützung während des Studiums und der Doktorarbeit, die zu
jeder Zeit immer ein offenes Ohr für meine Probleme hatten und für mich da waren.
Genau wie meine besten Freunde Hendrik und Dennis und meine Freundin Welchy, die
während der letzten Jahre alle viel Geduld mit mir haben mussten, aber sich nie
beschwert haben.

















Zusammenfassung

Für die Erhöhung der Betriebstemperatur von Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)
Brennstoffzellen werden alternative Membransysteme gesucht, die bei einer Temperatur
von 140 bis 180 °C arbeiten, dabei eine hohe Protonenleitfähigkeit zeigen und
außerdem bei möglichst geringer Befeuchtung arbeiten. Vorteile der Erhöhung der
Betriebstemperatur von diesen PEM Brennstoffzellen sind ein Wegfall von
Befeuchtungssystemen, eine verbesserte Elektrodenkinetik und eine erhöhte Toleranz
des für den Betrieb notwendigen Elektrokatalysators gegenüber Kohlenstoffmonoxid-
Vergiftung. Ein Forschungszweig in der Untersuchung neuer PEMs ist die Herstellung
von Kompositmembranen. Kompositmembranen bestehen meist aus einem
protonenleitfähigen Polymer, dessen Eigenschaften (Protonleitfähigkeit, mechanische
Stabilität, thermische Stabilität, Wasseraufnahme und -rückhalt) durch den Einbau
anorganischer Additive verbessert werden. Durch die gezielte Synthese dieser Additive
können die Eigenschaften der Kompositmembranen eingestellt werden.
In dieser Arbeit wird über die Synthese neuartiger Festkörper-Protonenleiter auf Basis
von mesoporösen SiO - Materialien berichtet, welche anschließend in verschieden-2
artige Polymere eingebettet werden, um neue Kompositmembransysteme herzustellen.
Der Fokus dieser Arbeit liegt dabei deutlich auf der Synthese der Additive. Mesoporöse
SiO - Materialien werden mit unterschiedlichen Porensystemen, Porendurchmessern 2
und Partikelgrößen synthetisiert. Damit diese Materialien protonenleitfähig werden,
wird die extrem hohe innere Oberfläche dieser Materialien mit Alkoxysilanen
funktionalisiert, deren funktionelle Endgruppen anschließend in hydrophile,
protonenleitende Gruppen