science >> Wetenschap >  >> Chemie

Wetenschappers ontrafelen de mysteries van polymeerstrengen in brandstofcellen

Waterstofbrandstofcellen bieden een aantrekkelijke bron van continue energie voor toepassingen op afstand, van ruimtevaartuigen tot afgelegen weerstations. De efficiëntie van de brandstofcel neemt af naarmate het Nafion-membraan, gebruikt om de anode en kathode in een brandstofcel te scheiden, zwelt op bij interactie met water.

Een Russische en Australische samenwerking heeft nu aangetoond dat dit Nafion-scheidingsmembraan sommige van zijn samenstellende vezels gedeeltelijk afwikkelt, die vervolgens honderden microns van het oppervlak in de bulkwaterfase uitsteken.

Het onderzoeksteam werd geleid door een groep in Rusland samen met de Australische professor Barry Ninham van de Australian National University in Canberra, een toonaangevende specialist in colloïd- en interfacewetenschap. Hun resultaten zijn deze week gepubliceerd in The Tijdschrift voor Chemische Fysica .

Het onderzoeksteam begon dit project om een ​​voorgestelde hypothese te onderzoeken die een nieuwe staat van water toeschreef om zwelling van het Nafion-membraan te verklaren. In plaats daarvan, zij zijn de eersten die de groei beschrijven van polymeervezels die zich uitstrekken vanaf het membraanoppervlak terwijl het in wisselwerking staat met water. Het aantal vezels neemt toe als functie van de deuteriumconcentratie van het water.

"Om ons begrip van deze membranen te vergroten, we moesten de interactie op moleculair niveau van gedeutereerd water met het polymeer beschrijven, "Zei Bunkin. "Nu we de structuur van de 'uitsluitingszone' kennen, we kunnen de Nafion-structuur en zijn elektrische eigenschappen aanpassen door veranderingen te bestuderen die worden veroorzaakt door ion-specifieke (Hofmeister) effecten op de organisatie en functie ervan."

Nafion is het commercieel verkrijgbare waterstofoxide-protonenuitwisselingsmembraan dat tot op heden in brandstofcellen wordt gebruikt. De poreuze aard ervan maakt een aanzienlijke concentratie van de elektrolytoplossing mogelijk terwijl de anode van de kathode wordt gescheiden, die de stroom van elektronen mogelijk maakt die energie in de brandstofcel produceren.

De onderzoekers ontdekten dat het membraan bijzonder gevoelig is voor het deuteriumgehalte in het omgevingswater door de structuur van het oppervlak te ontrafelen. De polymeervezels strekken zich vanaf het membraan uit in het water. Het effect is het meest uitgesproken in water met een deuteriumgehalte tussen 100 en 1, 000 delen per miljoen.

Voor deze studie is het team ontwikkelde een gespecialiseerde laserinstrumentatie (fotoluminescente UV-spectroscopie) om de polymeervezels langs het membraan-waterinterface te karakteriseren. Hoewel de individuele vezels niet direct werden waargenomen vanwege de ruimtelijke beperking van de instrumentatie, het team detecteerde betrouwbaar hun uitgroei in het water.

"De betekenis van dit werk kan een toegang bieden tot enkele zeer fundamentele gebieden van biologie en energieproductie waarvan we geen idee hadden, ' zei Bunkin.