Nu de wereld op weg is naar meer milieuvriendelijke en duurzame energiebronnen, krijgen brandstofcellen veel aandacht. Het belangrijkste voordeel van brandstofcellen is dat ze waterstof gebruiken, een schone brandstof, en alleen water als bijproduct produceren bij het opwekken van elektriciteit. Deze nieuwe en schone stroombron zou conventionele lithium-ionbatterijen kunnen vervangen, die momenteel alle moderne elektronische apparaten van stroom voorzien.

De meeste brandstofcellen gebruiken een Nafion-membraan - een op synthetisch polymeer gebaseerd ionisch membraan - dat dient als een protongeleidend vast elektrolyt op waterbasis. Het gebruik van water als protonengeleidingsmedium creëert echter een groot nadeel voor de brandstofcel, namelijk het onvermogen om goed te functioneren bij temperaturen boven 100°C, de temperatuur waarbij water begint te koken, wat leidt tot een daling van de protongeleidbaarheid . Daarom is er behoefte aan nieuwe protongeleiders die protonen efficiënt kunnen overbrengen, zelfs bij zulke hoge temperaturen.

In een recente doorbraak rapporteerde een team van onderzoekers uit Japan, onder leiding van prof. Makoto Tadokoro van de Tokyo University of Science (TUS), een nieuwe op imidazool-imidazolaat-metaalcomplex gebaseerde hoge-temperatuur protongeleider die een efficiënte protongeleiding vertoont, zelfs bij 147 ° C. Het onderzoeksteam omvatte Dr. Fumiya Kobayashi van TUS, Dr. Tomoyuki Akutagawa en Dr. Norihisa Hoshino van Tohoku University, Dr. Hajime Kamebuchi van Nihon University, Dr. Motohiro Mizuno van Kanazawa University en Dr. Jun Miyazaki van Tokyo Denki University.

"Imidazol, een stikstofbevattende organische verbinding, heeft aan populariteit gewonnen als alternatieve protongeleider vanwege zijn vermogen om zelfs zonder water te werken. Het heeft echter een lagere protonoverdrachtssnelheid dan conventioneel gebruikt Nafion en smelt bij 120°C. Om deze te overwinnen problemen, hebben we zes imidazoolgroepen in een ruthenium (III)-ion geïntroduceerd om een ​​nieuw metaalcomplex te ontwerpen dat werkt als een multi-protondrager en een hoge temperatuurstabiliteit heeft", legt prof. Tadokoro uit toen hem werd gevraagd naar de grondgedachte achter hun studie, die was gepubliceerd in Chemistry—A European Journal en staat op de voorkant van het tijdschrift.

Het team ontwierp een nieuw molecuul waarbij drie imidazool (HIm) en drie imidazolaat (Im ^- ) groepen waren gehecht aan een centraal ruthenium (III) -ion (Ru ³⁺ ). Het resulterende monomoleculaire kristal was zeer symmetrisch en leek op een "starburst" -vorm. Bij het onderzoeken van de protongeleidbaarheid van dit starburst-type metaalcomplex, ontdekte het team dat elk van de zes imidazoolgroepen die aan de Ru ³⁺ ion fungeert als een protonzender. Dit maakte het molecuul 6 keer krachtiger dan individuele HIm-moleculen, die slechts één proton tegelijk konden transporteren.

Het team onderzocht ook het mechanisme dat ten grondslag ligt aan het vermogen tot geleiding van protonen bij hoge temperaturen van de starburst-moleculen. Ze ontdekten dat bij een temperatuur van meer dan -70°C de protongeleiding het gevolg was van individuele gelokaliseerde rotaties van de HIm en Im ^- groepen en protonen springen naar andere Ru(III) complexen in het kristal via waterstofbruggen. Bij temperaturen boven 147°C ontstond de protongeleiding echter door rotatie van hele moleculen, die ook verantwoordelijk was voor de superieure protongeleiding bij hoge temperaturen. Deze rotatie, bevestigd door het team met behulp van een techniek genaamd "solid-state ² H-NMR-spectroscopie," resulteerde in een geleidbaarheidssnelheid die drie orden van grootte groter was (σ =3,08 × 10 ^-5 S/cm) dan die voor individuele HIM-moleculen (σ =10 ^-8 S/cm).

Het team is van mening dat hun onderzoek zou kunnen dienen als een nieuw aandrijfprincipe voor protongeleidende elektrolyten in vaste toestand. De inzichten van hun nieuwe moleculaire ontwerp kunnen worden gebruikt om nieuwe protonengeleiders voor hoge temperaturen te ontwikkelen en om de functionaliteit van de bestaande te verbeteren. "Brandstofcellen zijn de sleutel tot een schonere en groenere toekomst. Onze studie biedt een routekaart voor het verbeteren van de prestaties van deze koolstofneutrale energiebronnen bij hoge temperaturen door moleculaire protongeleiders te ontwerpen en te implementeren die protonen efficiënt kunnen overbrengen bij dergelijke temperaturen", besluit Prof. Tadokoro. + Verder verkennen

Nieuwe geleiders met een hoog protonengehalte met inherent zuurstofarme lagen openen een duurzame toekomst