Angesichts des rasant steigenden globalen Energiebedarfs und der drohenden Klimakrise, in deren Folge verschiedene Akteure aktiv nach Alternativen zu fossilen Brennstoffen suchen, bietet sich Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) als vielversprechende Technologie eine neue Entwicklungsmöglichkeit. Traditionelle SOFCs sind zwar für ihre hohe Effizienz und lange Lebensdauer bekannt, ihre Anwendung ist jedoch durch die erforderlichen extrem hohen Temperaturen von ca. 700–800 °C für den Normalbetrieb eingeschränkt. Dies führt zu hohen Systemkosten und behindert ihren großflächigen Einsatz.

Forscher der Kyushu-Universität haben in *Nature Materials* einen Bericht über einen bedeutenden Durchbruch veröffentlicht. Sie haben eine SOFC entwickelt, die effizient bei 300 °C arbeitet. Dies birgt das Potenzial, die Kosten deutlich zu senken und die Forschung sowie die praktische Anwendung kryogener SOFCs voranzutreiben. Der Elektrolyt, als Kernkomponente von SOFCs, transportiert Wasserstoffionen zur Stromerzeugung in Wasserstoffbrennstoffzellen. Normalerweise benötigt er jedoch extrem hohe Temperaturen, um eine schnelle Protonenbewegung für einen effizienten Betrieb zu gewährleisten.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Yoshihiro Yamazaki von der Interdisziplinären Energieforschungsplattform der Kyushu-Universität widmet sich der Überwindung dieses Engpasses. Elektrolyte bestehen aus Atomen, die in einem Kristallgitter angeordnet sind, wobei sich Protonen durch die Zwischenräume bewegen. Wissenschaftler versuchen seit Jahren, die Protonengeschwindigkeit durch chemische Dotierstoffe zu erhöhen, stehen jedoch vor der Herausforderung, die Anzahl der mobilen Protonen zu erhöhen, gleichzeitig aber das Kristallgitter zu verstopfen und die Protonen zu verlangsamen.

Dieses Forschungsteam entdeckte, dass Bariumstannat (BaSnO₃) und Bariumtitanat (BaTiO₃) nach Dotierung mit einer hohen Konzentration an Scandium (Sc) eine Ziel-Protonenleitfähigkeit von über 0,01 S/cm bei 300 °C erreichen, vergleichbar mit der Leitfähigkeit aktueller SOFC-Elektrolyte bei 600–700 °C. Strukturanalysen und Molekulardynamiksimulationen zeigen, dass Sc-Atome mit umgebenden Sauerstoffatomen eine Art „ScO₆-Autobahn“ bilden. Dadurch können Protonen entlang dieser Autobahn mit einer niedrigen Migrationsbarriere wandern und Protoneneinfangprobleme vermeiden. Gitterdynamikdaten deuten darauf hin, dass BaSnO₃ und BaTiO₃ „weicher“ sind als herkömmliche SOFC-Materialien und daher mehr Sc absorbieren können.

Diese Erkenntnis überwindet den lange bestehenden Zielkonflikt zwischen erhöhter Dotierung und der Aufrechterhaltung einer schnellen Ionenbewegung und bietet einen praktikablen Ansatz für kostengünstige SOFCs für mittlere Temperaturen. Sie lässt sich auch auf Technologien wie Niedertemperaturelektrolyseure und Wasserstoffpumpen anwenden und trägt so zur Dekarbonisierung bei und macht kostengünstige Wasserstoffenergie für den Alltag zugänglicher.