Al in de jaren dertig, uitvinders hebben brandstofcellen gecommercialiseerd als een veelzijdige krachtbron. Nutsvoorzieningen, onderzoekers uit Japan hebben de indrukwekkende chemie van een essentieel onderdeel van een opkomende brandstofceltechnologie benadrukt.

In een recent gepubliceerd onderzoek in de Journal of Physical Chemistry Letters , onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba hebben achtereenvolgens protonentransport - energieoverdracht - onthuld in een geavanceerd op koolstof gebaseerd kristal voor toekomstige brandstofcellen, en de chemie die aan dit fenomeen ten grondslag ligt.

Dergelijke kristallen zijn opwindend als vaste elektrolyten - energieoverdrachtsmedia - in opkomende brandstofceltechnologieën. Vaste elektrolyten hebben voordelen, zoals hoge energie-efficiëntie en stabiliteit op lange termijn, die sommige elektrolyten missen. Vaste elektrolyten op basis van imidazool zijn veelvoorkomende studiepunten. Onderzoekers veronderstellen dat kristallen van imidazoliumwaterstofsuccinaat opeenvolgende protonentransport kunnen vertonen, ook wel protonspringen genoemd. Momenteel, dit is niet rigoureus bevestigd, iets wat de onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba wilden aanpakken.

"Een breed scala aan laboratoriumwerk en computersimulaties is consistent met unidirectioneel protonentransport in kristallen van imidazoliumwaterstofsuccinaat, " zegt hoofdauteur en senior auteur van de studie, Professor Yuta Hori. "Omdat deze hypothese verder getest moet worden, we hebben de moleculaire energie versus de moleculaire geometrie van onze kristallen berekend, en vergeleken onze resultaten met experimentele gegevens."

Om dit te doen, de onderzoekers bestudeerden bekende kristalstructuren om een ​​chemische structuur te onderzoeken die bekend staat als waterstofbruggen. Waterstofdynamica op deze bindingen vergemakkelijken het transport van protonen in de kristallen en kunnen experimenteel worden gekarakteriseerd door infraroodspectroscopie.

"De spectroscopieresultaten waren duidelijk, " legt Hori uit. "We ontdekten dat bij 100°C, vergeleken met 30°C, er was een verschuiving naar hogere energie in een piek die betrekking heeft op protonentransport."

Verder, de berekende pieken van de onderzoekers - die overeenkomen met chemische eenheden die sterk bijdragen aan waterstofbinding - waren consistent met de experimentele gegevens.

"We gebruikten deze resultaten om een ​​model te construeren dat traceerde hoe een proton wordt overgebracht van de ene imidazooleenheid naar de andere, " zegt Hori. "Ons berekende potentiële energieoppervlak leverde geometrische en energetische gegevens op die consistent zijn met protonspringen."

Brandstofcellen worden tegenwoordig gebruikt om een ​​breed scala aan civiele infrastructuur en technologieën aan te drijven, en produceren doorgaans weinig uitstoot. Verbetering van de bruikbaarheid van brandstofcellen in meer diverse toepassingen, gedeeltelijk bereikt door te begrijpen hoe ze werken, zal helpen verspilde energie in de komende jaren te minimaliseren.