Anionenuitwisselingsmembraan brandstofcellen (AEMFC's), die elektriciteit produceren met waterstof, worden beschouwd als een alternatief voor de momenteel gebruikte brandstofcellen met protonenuitwisselingsmembraan. Echter, AEM's hebben problemen met stabiliteit in alkalische omstandigheden, die kan worden overwonnen door crosslinking. Maar de effecten van de lengte van de crosslinker op de AEMFC-prestaties zijn niet goed begrepen. Nutsvoorzieningen, Koreaanse wetenschappers hebben dergelijke effecten opgehelderd voor zuurstofbevattende crosslinkers. Met behulp van een optimaal lange crosslinker, ze produceerden een nieuwe AEMFC met betere prestaties.

Wereldwijd worden er veel inspanningen geleverd om fossiele brandstoffen te vervangen door groenere alternatieven. Waterstof (H ₂ ) is een veelbelovende optie die momenteel in de schijnwerpers staat; het kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken in brandstofcellen met water als het enige bijproduct. Echter, de technologie is nog niet helemaal klaar voor commercialisering omdat brandstofcellen met protonenuitwisselingsmembraan, het meest bestudeerde type, last hebben van hoge kosten en stabiliteitsproblemen.

In tegenstelling tot, anion-exchange membrane (AEM) brandstofcellen gebruiken goedkopere katalysatoren en kunnen superieure prestaties leveren. In deze cellen is hydroxide-ionen (OH ^- ) worden gecirculeerd in plaats van protonen door het gebruik van een polymeerelektrolyt bestaande uit een polymeerskelet en ionengeleidende groepen. Een manier om de eigenschappen van dergelijke elektrolyten te verbeteren, is door verknoping - het fysiek of chemisch koppelen van polymeereenheden aan elkaar via moleculaire zijketens.

Hoewel zuurstofhoudende crosslinkers de stabiliteit en ionengeleiding van AEM's verbeteren vanwege hun hydrofiliciteit, of affiniteit met water, de effecten van de lengte van de crosslinker, die het aantal zuurstofatomen definieert, worden niet in detail begrepen.

Om dieper inzicht te krijgen in deze kwestie, wetenschappers van de Incheon National University hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd waarbij ze lange AEM-polymeren met ammoniumion-geleidende groepen hebben bereid en deze moleculen aan elkaar hebben gebonden met behulp van ethyleenoxide-bevattende crosslinkers van verschillende lengtes. Door een grote verscheidenheid aan experimenten, ze vergeleken AEM's met verschillende lengtes crosslinker in termen van hun mechanische en thermische eigenschappen, water vasthoudend vermogen, OH ^- ionen geleidbaarheid, morfologie en stabiliteit. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de Journal of Membrane Science , een toptijdschrift op het gebied van polymeerwetenschap.

De experimenten hielpen de wetenschappers de mechanismen op te helderen waardoor een overmatige lengte van de crosslinker uiteindelijk de prestaties van AEM's kan verminderen. Professor Tae-Hyun Kim, die de studie leidde, legt uit:"Hoewel het gemakkelijk te voorspellen was dat zuurstofhoudende crosslinkers de hydrofiliciteit zouden verhogen en mogelijk zouden leiden tot een betere ionische geleidbaarheid, onze resultaten laten zien dat een te groot aantal zich herhalende zuurstofeenheden de kristalliniteit - of ordeningsgraad - van het resulterende materiaal verhoogt. Beurtelings, dit vermindert in feite de hydrofiliciteit en brengt uiteindelijk veel fysisch-chemische eigenschappen van de AEM in gevaar."

Na het vaststellen van de optimale lengte voor hun crosslinker, de onderzoekers maakten een AEM-brandstofcel en ontdekten dat de resulterende prestatie duidelijk beter was dan bij gebruik van AEM's zonder zuurstofhoudende crosslinkers. Enthousiast over de resultaten, Professor Kim zei:"De belangrijkste conclusie van ons onderzoek is dat het toevoegen van moleculen met een hoge wateraffiniteit, zoals ethyleenoxide, naar crosslinkers van optimale lengte is een geldige strategie om de fundamentele eigenschappen van AEM's en hun prestaties in werkelijke brandstofcellen te verbeteren."

Hoewel er nog ruimte voor verbetering is voordat AEM-brandstofcellen effectief in de praktijk kunnen worden gebruikt en gecommercialiseerd, deze studie zet een volgende stap in de richting van de popularisering van milieuvriendelijke energiebronnen van de volgende generatie.