Nanostrukturierte PEM-Brennstoffzellenelektroden aus alternativen Materialien

In den Elektrodenschichten einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist die elektrochemische Wasserstoffoxidation (HOR) an der Anode und Sauerstoffreduktion (ORR) an der Kathode meist durch rußgeträgerte Platinnanopartikel katalysiert. Im Gegensatz zur Anode ist der Rußträger auf der Kathode harschen Bedingungen wie hohen Potentialen und Feuchte ausgesetzt, die eine unerwünschte Trägerkorrosion zur Folge haben können. Tritt diese auf, lösen sich Platinnanopartikel von der Trägeroberfläche, agglomerieren in der Elektrode oder der Membran und stehen somit nicht mehr für die Katalyse zur Verfügung. Aufgrund einer inhomogenen Verteilung oder schlechten Kontaktierung innerhalb der Elektrodenschicht steht oftmals nicht die gesamte Katalysatoroberfläche für die Reaktion zur Verfügung. Dies resultiert in einem erhöhten Platinbedarf. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, die Kohlenstoffkorrosion auf der Kathode zu verhindern und auch die Platinausnutzung innerhalb der Elektrode zu verbessern. Als erster Schritt wurde der Ruß durch alternative, beständigere Trägermaterialien auf Basis von Metalloxiden (Indiumzinnoxid, Zinn(IV)oxid und Antimon-dotiertes Zinn(IV)oxid) ersetzt und jeweils mit Platinnanopartikeln beladen. Der Einfluss der Oxidträger auf die Sauerstoffreduktionsaktivität und die elektrochemisch aktive Oberfläche der Katalysatoren wurde mithilfe elektrochemischer Methoden in der Halbzelle untersucht und mit rußgeträgerten Referenzkatalysatoren verglichen. Eigens zur Überprüfung der Degradationsstabilität des Trägermaterials wurde ein Protokoll für die schnelle Alterung oxidgeträgerter Katalysatoren in der elektrochemischen Zelle entwickelt. Der Einsatz der Katalysatoren als Kathodenschicht in der Einzelzelle lieferte wichtige Erkenntnisse in Bezug auf die Leistungsfähigkeit und das Alterungsverhalten unter Realbedingungen. Die Verknüpfung der Ergebnisse aus den Einzelzellenuntersuchungen und der elektrochemischen Zelle half besonders dabei, einige auftretende Phänomene im Realbetrieb schlüssig zu erklären. Im Verlauf der Untersuchungen zeigte Antimon-dotiertes Zinnoxid (ATO) die besten Voraussetzungen zum Einsatz in einer PEMFC. Die Verbesserung der Platinausnutzung bei Elektrodenschichten aus oxidgeträgerten Katalysatoren wurde im zweiten Teil der Arbeit adressiert. Dazu wurden verschiedene Konzepte und Methoden zur Elektrodenpräparation und -strukturierung angewandt. Das erste Konzept verfolgte einen Elektrodenaufbau über alternierende Schichten des Pt/ATO-Katalysators und Schichten aus Kohlenstoffnanoröhren oder Polyanilinfasern. Die Elektrodenpräparation erfolgte mit zwei unterschiedlichen Sprühverfahren. Mit der Elektrodenstrukturierung konnte die Elektrodenporosität gesteigert und die Feinverteilung der einzelnen Komponenten beeinflusst werden, was sich insgesamt in einer gesteigerten Platinausnutzung äußerte. Durch den Einsatz von Polyanilin konnte auf ein zusätzliches Ionomer wie Nafion® in der Elektrode verzichtet werden. Dies bietet einen Vorteil im Hinblick auf kostengünstige Elektroden mit hoher Platinausnutzung und Degradationsstabilität. Ein zweites Elektrodenkonzept wurde mithilfe von ATO-umhüllten Polyanilinhohlkugeln realisiert, die eigens über eine Pickering-Emulsion hergestellt wurden. ATO diente hier wiederum als Trägermaterial und die Hohlkugelform bot die Möglichkeit die Elektrodenporosität und somit die Platinzugänglichkeit zu steigern. Im dritten Konzept zur Elektrodenstrukturierung wurde eine Gasdiffusionslage in einer Reaktionslösung mit einem Film aus Polyanilinfasern beschichtet. Die beschichtete Gasdiffusionslage kann nach der Funktionalisierung mit Platinnanopartikeln ebenfalls erfolgreich als Kathode eingesetzt werden

Pathogenic SCN2A variants cause early-stage dysfunction in patient-derived neurons

Pathogenic heterozygous variants in SCN2A, which encodes the neuronal sodium channel NaV1.2, cause different types of epilepsy or intellectual disability (ID)/autism without seizures. Previous studies using mouse models or heterologous systems suggest that NaV1.2 channel gain-of-function typically causes epilepsy, whereas loss-of-function leads to ID/autism. How altered channel biophysics translate into patient neurons remains unknown. Here, we investigated iPSC-derived early-stage cortical neurons from ID patients harboring diverse pathogenic SCN2A variants [p.(Leu611Valfs*35); p.(Arg937Cys); p.(Trp1716*)], and compared them to neurons from an epileptic encephalopathy patient [p.(Glu1803Gly)] and controls. ID neurons consistently expressed lower NaV1.2 protein levels. In neurons with the frameshift variant, NaV1.2 mRNA and protein levels were reduced by ~ 50%, suggesting nonsense-mediated decay and haploinsufficiency. In other ID neurons, only protein levels were reduced implying NaV1.2 instability. Electrophysiological analysis revealed decreased sodium current density and impaired action potential (AP) firing in ID neurons, consistent with reduced NaV1.2 levels. By contrast, epilepsy neurons displayed no change in NaV1.2 levels or sodium current density, but impaired sodium channel inactivation. Single-cell transcriptomics identified dysregulation of distinct molecular pathways including inhibition of oxidative phosphorylation in neurons with SCN2A haploinsufficiency, and activation of calcium signaling and neurotransmission in epilepsy neurons. Together, our patient iPSC-derived neurons reveal characteristic sodium channel dysfunction consistent with biophysical changes previously observed in heterologous systems. Additionally, our model links the channel dysfunction in ID to reduced NaV1.2 levels and uncovers impaired AP firing in early-stage neurons. The altered molecular pathways may reflect a homeostatic response to NaV1.2 dysfunction and can guide further investigations

Nanostrukturierte PEM-Brennstoffzellenelektroden aus alternativen Materialien

In den Elektrodenschichten einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist die elektrochemische Wasserstoffoxidation (HOR) an der Anode und Sauerstoffreduktion (ORR) an der Kathode meist durch rußgeträgerte Platinnanopartikel katalysiert. Im Gegensatz zur Anode ist der Rußträger auf der Kathode harschen Bedingungen wie hohen Potentialen und Feuchte ausgesetzt, die eine unerwünschte Trägerkorrosion zur Folge haben können. Tritt diese auf, lösen sich Platinnanopartikel von der Trägeroberfläche, agglomerieren in der Elektrode oder der Membran und stehen somit nicht mehr für die Katalyse zur Verfügung. Aufgrund einer inhomogenen Verteilung oder schlechten Kontaktierung innerhalb der Elektrodenschicht steht oftmals nicht die gesamte Katalysatoroberfläche für die Reaktion zur Verfügung. Dies resultiert in einem erhöhten Platinbedarf. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, die Kohlenstoffkorrosion auf der Kathode zu verhindern und auch die Platinausnutzung innerhalb der Elektrode zu verbessern. Als erster Schritt wurde der Ruß durch alternative, beständigere Trägermaterialien auf Basis von Metalloxiden (Indiumzinnoxid, Zinn(IV)oxid und Antimon-dotiertes Zinn(IV)oxid) ersetzt und jeweils mit Platinnanopartikeln beladen. Der Einfluss der Oxidträger auf die Sauerstoffreduktionsaktivität und die elektrochemisch aktive Oberfläche der Katalysatoren wurde mithilfe elektrochemischer Methoden in der Halbzelle untersucht und mit rußgeträgerten Referenzkatalysatoren verglichen. Eigens zur Überprüfung der Degradationsstabilität des Trägermaterials wurde ein Protokoll für die schnelle Alterung oxidgeträgerter Katalysatoren in der elektrochemischen Zelle entwickelt. Der Einsatz der Katalysatoren als Kathodenschicht in der Einzelzelle lieferte wichtige Erkenntnisse in Bezug auf die Leistungsfähigkeit und das Alterungsverhalten unter Realbedingungen. Die Verknüpfung der Ergebnisse aus den Einzelzellenuntersuchungen und der elektrochemischen Zelle half besonders dabei, einige auftretende Phänomene im Realbetrieb schlüssig zu erklären. Im Verlauf der Untersuchungen zeigte Antimon-dotiertes Zinnoxid (ATO) die besten Voraussetzungen zum Einsatz in einer PEMFC. Die Verbesserung der Platinausnutzung bei Elektrodenschichten aus oxidgeträgerten Katalysatoren wurde im zweiten Teil der Arbeit adressiert. Dazu wurden verschiedene Konzepte und Methoden zur Elektrodenpräparation und -strukturierung angewandt. Das erste Konzept verfolgte einen Elektrodenaufbau über alternierende Schichten des Pt/ATO-Katalysators und Schichten aus Kohlenstoffnanoröhren oder Polyanilinfasern. Die Elektrodenpräparation erfolgte mit zwei unterschiedlichen Sprühverfahren. Mit der Elektrodenstrukturierung konnte die Elektrodenporosität gesteigert und die Feinverteilung der einzelnen Komponenten beeinflusst werden, was sich insgesamt in einer gesteigerten Platinausnutzung äußerte. Durch den Einsatz von Polyanilin konnte auf ein zusätzliches Ionomer wie Nafion® in der Elektrode verzichtet werden. Dies bietet einen Vorteil im Hinblick auf kostengünstige Elektroden mit hoher Platinausnutzung und Degradationsstabilität. Ein zweites Elektrodenkonzept wurde mithilfe von ATO-umhüllten Polyanilinhohlkugeln realisiert, die eigens über eine Pickering-Emulsion hergestellt wurden. ATO diente hier wiederum als Trägermaterial und die Hohlkugelform bot die Möglichkeit die Elektrodenporosität und somit die Platinzugänglichkeit zu steigern. Im dritten Konzept zur Elektrodenstrukturierung wurde eine Gasdiffusionslage in einer Reaktionslösung mit einem Film aus Polyanilinfasern beschichtet. Die beschichtete Gasdiffusionslage kann nach der Funktionalisierung mit Platinnanopartikeln ebenfalls erfolgreich als Kathode eingesetzt werden

Structured Multilayer Electrodes without Nafion for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

The use of alternative support materials and special MEA preparation techniques allow a replacing of Nafion® within the electrode layer. A possible candidate for the replacement is the electron/proton conductive polymer polyaniline (PANI). This material has proven its suitability and stability as support in a fuel cell environment. The incorporation of Pt/single-walled carbon nanotubes (SWCNT) between the PANI layers can improve the electron conductivity of the system. The assembly is fabricated by the newly introduced spray coating technique, in which alternating layers of Pt/PANI or Ru/PANI, and Pt/SWCNT are sprayed directly onto a Nafion® membrane. 3D electrodes are obtained with an expected high porosity and enhanced noble metal utilization. The assembled multilayered electrodes were used at the anode side with a commercial Pt/CB-Nafion® catalyst layer at the cathode side in a real fuel cell test. The MEAs showed high Pt utilization values with an adequate power density

Structured multilayered electrodes of proton/electron conducting polymer for polymer electrolyte membrane fuel cells assembled by spray coating

Membrane electrode assemblies (MEAs) for fuel cell applications consist of electron conductive support materials, proton conductive ionomer, and precious metal nanoparticles to enhance the catalytic activity towards H2 oxidation and O2 reduction. An optimized connection of all three phases is required to obtain a high noble metal utilization, and accordingly a good performance. Using polyaniline (PANI) as an alternative support material, the generally used ionomer Nafion® could be replaced in the catalyst layer. PANI has the advantage to be electron and proton conductive at the same time, and can be used as a catalyst support as well. In this study, a new technique building up alternating layers of PANI supported catalyst and single-walled carbon nanotubes (SWCNT) supported catalyst is introduced. Multilayers of PANI and SWCNT catalysts are used on the cathode side, whereas the anode side is composed of commercial platinum/carbon black catalyst and Nafion®, applied by an airbrush. No additional Nafion® ionomer is used for proton conductivity of the cathode. The so called spray coating method results in high power densities up to 160 mW cm−2 with a Pt loading of 0.06 mg cm−2 at the cathode, yielding a Pt utilization of 2663 mW mgPt−1. As well as PANI, supports of SWCNTs have the advantage to have a fibrous structure and additional, they provide high electron conductivity. The combination of the new technique and the fibrous 1-dimensional support materials leads to a porous 3-dimensional electrode network which could enhance the gas transport through the electrode as well as the Pt utilization. The spray coating method could be upgraded to an in-line process and is not restricted to batch production

Using layer-by-layer assembly of polyaniline fibers in the fast preparation of high performance fuel cell nanostructured membrane electrodes

Membrane electrode assemblies (MEA) for fuel cells require optimization of their nanoscale organization to reach performance parameters, which include enhanced power density, increased catalyst utilization and reduced cost. We applied sprayed layer-by-layer assembly to produce a high activity MEA for H2/O2 fuel cells from polyaniline fibers (PANI-F). This technique produces “fast-prepared” membranes with nanoscale structure, which allows to adequately address specific tuning of their porosity, platinum loading, electronic conductivity, and proton conductivity. Pt nanoparticles were attached to the PANI-F in a reaction of selective heterogeneous nucleation. After functionalization, Pt/PANI-F were assembled with Nafion™. Microscopic investigation revealed that functionalized polyaniline fibers formed a highly porous yet tight network of interpenetrating conductors connected to the catalytic Pt particles. The Pt/PANI-F LBL ultrathin MEA demonstrated a power densitiy of 63 mW cm−2 and yielded a Pt utilization of 437.5 W g−1 Pt which is comparable to the traditional fuel cell using carbon black as Pt support. Moreover, the amount of Pt used in this work is almost 2 times lower than for usual carbon-supported Pt catalysts

Alternative Support Materials for Fuel Cell Catalysts

One major issue still impeding the rapid market introduction of low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) is the catalyst's poor long-term stability. In particular in the harsh conditions at the cathode side corrosion of the standard carbon support takes place, and high platinum loadings even speed up this process. Recent research focuses on novel, non-carbon support materials, using either electron-conductive oxides or conductive polymers. In this paper the synthesis and characterization of TiO2-supported Pt, niobium-doped TiO2-supported Pt, Sb-doped tin oxide as well as polyaniline-supported Pt as novel cathode catalysts for PEMFC are presented

A genome wide search for susceptibility loci in three European malignant hyperthermia pedigrees +

Malignant hyperthermia (MH) is an autosomal dominant disorder which is potentially lethal in susceptible individuals on exposure to commonly used inhalational anaesthetics and depolarising muscle relaxants. Crises reflect the consequences of disturbed skeletal muscle calcium homeostasis. Susceptibility was first localised to chromosome 19q13.1 and the skeletal muscle ryanodine receptor, RYR1 (the calcium release channel of the sarcoplasmic reticulum). Defects in this gene have been identified which cosegregate with the MHS phenotype and evidence as to their potential causal roles has accumulated. MH has, however, been shown to be genetically heterogeneous, additional loci on chromosomes 3q, 17q and 7q being proposed. Pedigrees remain in Europe where linkage status is stil