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14.09.2020 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Pyroelektrokatalyse für die Wasserstoffproduktion?

Autor:
Dieter Beste
2:30 Min. Lesedauer

Pyroelektrizität wird zum Beispiel in Pyrosensoren genutzt, die empfindlich auf Wärmestrahlung reagieren. Nun hat ein Forscherteam herausgefunden, wie man das Phänomen auch für chemische Reaktionen nutzbar machen kann.

Pyroelektrizität ist ein Phänomen der Physik, das wie die Piezoelektrizität seit Langem in Sensoren genutzt wird. Piezoelektrizität beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation und das damit verbundene Auftreten einer elektrischen Ladung an Festkörpern bei gerichteter elastischer Verformung. Umgekehrt erzeugt das Anlegen einer elektrischen Spannung eine elastische Verformung des Kristalls. Pyroelektrizität kann als eine Parallelerscheinung zur Piezoelektrizität aufgefasst werden: "Die Erwärmung gewisser Kristalle (z. B. Turmalin, Skolezit) führt zum ungleichen (polaren) Auftreten elektrischer Ladungen. Beim Abkühlen kehrt sich die Polarität um", erklären Matthias Göbbels, Jens Götze und Werner Lieber in "Physikalisch-chemische Mineralogie kompakt" (Seite 113).

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2018 | OriginalPaper | Buchkapitel

Physikalische Effekte zur Sensornutzung

Werden bestimmte Materialien durch Einwirkung von äußeren Kräften oder Drücken verformt, dann entsteht eine elektrische Spannung. Wie Bild 2.1-1 zeigt, verschieben die Kraft bzw. der Druck die Ladungen im Inneren des Materials. Die Schwerpunkte …

"Alle pyroelektrischen Materialien zeigen auch den piezoelektrischen Effekt, aber nicht alle piezoelektrischen Materialien zeigen den pyroelektrischen Effekt", fassen Ekbert Hering und Gert Schönfelder in dem Buchkapitel "Physikalische Effekte zur Sensornutzung" zusammen. Werde die Piezoelektrizität zur Ermittlung von Größen wie Kraft, Drehmoment, Druck, Beschleunigung oder Vibration genutzt, reagierten Pyrosensoren besonders empfindlich auf zeitliche und räumliche Veränderungen der Strahlungsintensität. "Bevorzugtes Einsatzgebiet sind daher beispielsweise Bewegungs- oder Feuermelder" (Seite 71). 

Ein Physikerteam der TU Bergakademie Freiberg hat nun einen Weg gefunden, die an den Oberflächen pyroelektrischer Materialien entstehende Spannung für chemische Reaktionen zu nutzen, etwa für die Umwandlung von Abwärme in Wasserstoff. Den Freiberger Wissenschaftlern gelang es, die katalytischen Prozesse an pyroelektrischen Oberflächen in einem Modell zu beschreiben und vorherzusagen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher im Journal "Physical Chemistry Chemical Physics" veröffentlicht. "Besonders interessant ist hierbei die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, der als Energieträger und in der chemischen Industrie ein gefragtes Gas ist", so Mateo de Vivanco, Erstautor der Studie.

Spannung für chemische Reaktionen nutzbar

Wenn auch diese Reaktion schon vor einigen Jahren experimentell nachgewiesen werden konnte, blieben die physikalisch-chemischen Hintergründe bislang weitgehend im Dunklen. Hier setzte das Freiberger Team an: "Als Chemiker in einer physikalischen Arbeitsgruppe wollte ich die Ausbeute der Wasserspaltung errechnen. Da dies mit bestehenden Modellen nicht möglich war, überlegten mein Team und ich, welche Faktoren die pyroelektrische Ausbeute einschränken", sagt der Erstautor der Studie. Im Vergleich zur direkten Elektrizitätsnutzung habe man bei der Wasserstofferzeugung nämlich Überspannungen unterschiedlicher Natur zu bewältigen, die die Wasserspaltung behindern könnten. In mehrjähriger Forschungsarbeit gelang es schließlich, das nun vorgelegte chemisch-physikalische Modell zu entwickeln, mit dem die Prozesse an pyroelektrischen Oberflächen in chemisch labilen Medien, wie zum Beispiel Wasser, erklärt und vorhergesagt werden können.
 

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