Meer organisatie op moleculair niveau zou de efficiëntie kunnen verbeteren van membranen die worden gebruikt in de waterstofbrandstofcellen die energie leveren aan elektrische auto's en andere industriële toepassingen, volgens een recensie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap en technologie van geavanceerde materialen .

Waterstofbrandstofcellen zijn de energieproducerende componenten van elektrische auto's. Werken, ze moeten waterstofmoleculen kunnen splitsen in positief geladen protonen en negatief geladen elektronen. Hiervoor wordt een bepaald type membraan gebruikt, een protongeleidend polymeermembraan. Het laat alleen protonen door, terwijl de elektronen rond de membranen worden geschakeld om de gewenste elektrische stroom te creëren. Protonen worden vervolgens langs een dunne 'ionomeer'-film getransporteerd en vervolgens naar een elektrochemische katalysator waar elektronen en protonen weer samenkomen.

Onderzoek heeft aangetoond dat het protonentransport door de dikkere protongeleidende polymeermembranen beter is dan in de dunnere ionomeermembranen.

Dit tweede deel van het protonentransportproces moet worden bestudeerd om de prestaties van brandstofcellen te verbeteren. zegt materiaalwetenschapper Yuki Nagao van het Japan Advanced Institute of Science and Technology, die al jaren onderzoek doet naar protongeleidende films.

Met behulp van state-of-the-art technologieën, hij en anderen hebben de moleculaire structuren van ionomeerfilms onderzocht en ontdekten dat hoe beter ze intern georganiseerd zijn, hoe beter ze protonen geleiden.

Sommige ionomeerfilms die gewoonlijk in waterstofbrandstofcellen worden gebruikt, zijn gemaakt met geperfluoreerd sulfonzuur. De films kunnen worden geplaatst op oppervlakken gemaakt van stoffen zoals siliciumoxide, magnesium oxide, of gesputterd platina of goud. Nagao heeft ontdekt dat de geleidbaarheid van protonen in deze films afhangt van het type oppervlak en de prestaties van de brandstofcel kan beïnvloeden.

Moleculen in een ander type film, gemaakt van alkylgesulfoneerd polyimide, meer georganiseerd worden met wateropname. Deze eigenschap is het resultaat van het vermogen van het materiaal om in een vloeibare kristalfase te komen wanneer oplosmiddel wordt toegevoegd.

"Het ontwikkelen van een beter begrip van deze eigenschappen en hun impact op protongeleiding zal belangrijk zijn voor het verduidelijken van protonengeleidingsmechanismen, " legt Nagao uit.

Verder onderzoek is nodig om te begrijpen hoe de moleculaire organisatie kan worden gecontroleerd door de toepassing van externe magnetische velden, door gebruik te maken van hun vloeibare kristaleigenschappen, of door waterstofbindingsnetwerken tussen polymeerketens in de dunne films te ontwikkelen. Dit zou kunnen leiden tot een verscheidenheid aan toepassingen met behulp van zeer proton-geleidende dunne films van polymeer.