Ethanol heeft een vijf keer hogere volumetrische energiedichtheid (6,7 kWh/L) dan waterstof (1,3 kWh/L) en kan veilig worden gebruikt in brandstofcellen voor energieopwekking. Vooral in Brazilië is er grote belangstelling voor betere brandstofcellen voor ethanol, aangezien dat land goedkope ethanol distribueert die op hernieuwbare wijze is geproduceerd uit suikerriet. theoretisch, het rendement van een ethanolbrandstofcel moet 96 procent zijn, maar in de praktijk bij de hoogste vermogensdichtheid is dit slechts 30 procent, vanwege verschillende redenen. Er is dus veel ruimte voor verbetering.

Nafion met nanodeeltjes

Een team onder leiding van Dr. Bruno Matos van het Braziliaanse onderzoeksinstituut IPEN onderzoekt daarom nieuwe composietmembranen voor directe ethanolbrandstofcellen. Een veelbelovende oplossing is het op maat maken van nieuwe op polymeren gebaseerde composietelektrolytmaterialen om de ultramoderne polymere elektrolyt zoals Nafion te vervangen. Matos en zijn team gebruiken een smeltextrusieproces om composietmembranen te produceren op basis van Nafion met extra titanaat-nanodeeltjes, die zijn gefunctionaliseerd met sulfonzuurgroepen.

Infrarood experimenten bij BESSY II

Het team van Matos heeft nu vier verschillende samenstellingen van Nafion-composietmembranen grondig geanalyseerd bij de infraroodbundel IRIS bij BESSY II. Röntgenverstrooiingsmetingen onder een kleine hoek bevestigden dat de titaniumdeeltjes synergetisch in wisselwerking stonden met de ionomeermatrix van Nafion.

Protongeleidbaarheid verhoogd

Met behulp van infraroodspectroscopie, ze zagen dat er chemische bruggen werden gevormd tussen de sulfonzuurgroepen van de gefunctionaliseerde nanodeeltjes. In aanvulling, door de protonenbeweging langs de ionenclusters te volgen, ze vonden een verhoogde protongeleiding in het composietmembraan, zelfs bij hoge concentraties nanodeeltjes. "Dit was een echte verrassing die we niet hadden verwacht, "Dr. Ljiljana Puskar, HZB-wetenschapper bij de IRIS-Beamline zegt. De vermindering van de geleidbaarheid met de toename van de nanodeeltjes is een van de belangrijkste hindernissen die de ontwikkeling van hoogwaardige composietmaterialen vertragen. De hogere protongeleidbaarheid zou een betere mobiliteit van de ladingsdragers mogelijk maken en zo de efficiëntie van de directe ethanolbrandstofcel verhogen.

Voordeel van smeltextrusie:

"Dit composietmembraan kan worden geproduceerd door smeltextrusie, die hun productie op industriële schaal mogelijk zouden maken, ’ merkt Matos op.