De ontwikkeling van nieuwe materialen heeft aanzienlijk bijgedragen aan de verhoogde efficiëntie van directe ethanolbrandstofcellen (DEFC's). Deze materialen spelen een cruciale rol bij het verbeteren van verschillende aspecten van de DEFC-prestaties, waaronder verbeterde elektrokatalytische activiteit, verbeterde ethanoltolerantie, verhoogde duurzaamheid en betere protongeleiding. Hier zijn enkele belangrijke materialen en hun impact op de DEFC-efficiëntie:

1. Elektrokatalysatoren:

- Op platina gebaseerde katalysatoren: Platina (Pt) is de meest gebruikte elektrokatalysator voor DEFC's vanwege de hoge activiteit voor zowel ethanoloxidatie als zuurstofreductiereacties. Pt is echter duur en vatbaar voor vergiftiging door onzuiverheden in ethanol. Om deze uitdagingen aan te pakken, hebben onderzoekers op Pt gebaseerde legeringskatalysatoren ontwikkeld, zoals Pt-Ru-, Pt-Sn- en Pt-Ni-legeringen. Deze legeringen vertonen verbeterde activiteit en ethanoltolerantie vergeleken met puur Pt.

- Niet-edelmetaalkatalysatoren: Om de kosten te verlagen en de schaarste aan platina te verminderen, zijn er aanzienlijke inspanningen geleverd aan de ontwikkeling van katalysatoren die geen edele metalen bevatten. Materialen op basis van overgangsmetalen, waaronder nikkel (Ni), kobalt (Co), ijzer (Fe) en hun verbindingen, hebben veelbelovende activiteit getoond voor de oxidatie van ethanol. Deze katalysatoren zijn beter bestand tegen ethanolvergiftiging en bieden kosteneffectieve alternatieven voor op Pt gebaseerde katalysatoren.

2. Protonenuitwisselingsmembranen (PEM's):

- Nafion: Nafion is een veelgebruikte PEM in DEFC's vanwege zijn goede protongeleidingsvermogen en chemische stabiliteit. Nafion heeft echter te kampen met een hoge methanolpermeabiliteit, wat kan leiden tot efficiëntieverliezen. Om deze beperking te overwinnen hebben onderzoekers alternatieve PEM's ontwikkeld op basis van gesulfoneerde polyimiden, polybenzimidazolen en composietmaterialen. Deze membranen vertonen een verminderde methanol-crossover en een verbeterde protongeleiding.

3. Anionenuitwisselingsmembranen (AEM's):

- Hydrooxide-uitwisselingsmembranen (HEM): AEM's maken het directe gebruik van alkalische elektrolyten in DEFC's mogelijk en bieden verschillende voordelen, zoals snellere reactiekinetiek, verbeterde ethanoltolerantie en verminderde katalysatorvergiftiging. HEM's op basis van quaternaire ammoniumgefunctionaliseerde polymeren hebben veelbelovende prestaties getoond in DEFC's, wat een hoge hydroxidegeleiding en stabiliteit aantoont.

4. Op koolstof gebaseerde materialen:

- Koolstof ondersteunt: Koolstofmaterialen, zoals actieve kool, roet en grafeen, worden veel gebruikt als katalysatordragers in DEFC's. Deze materialen bieden een groot oppervlak voor katalysatorafzetting en vergemakkelijken efficiënte elektronenoverdracht. Er is onderzoek gedaan naar met stikstof gedoteerde koolstofmaterialen en koolstofnanobuisjes om de elektrokatalytische activiteit en duurzaamheid van DEFC's verder te verbeteren.

5. Bimetaal- en composietmaterialen:

- Bimetaal- en composietmaterialen: Onderzoekers hebben bimetaal- en composietmaterialen ontwikkeld die de voordelen van verschillende materialen combineren om synergetische effecten te bereiken. Pt-Ru/C-katalysatoren vertonen bijvoorbeeld verbeterde activiteit en duurzaamheid vergeleken met pure Pt-katalysatoren. Composietmaterialen waarin metaaloxiden, geleidende polymeren en metaal-organische raamwerken zijn verwerkt, hebben ook verbeterde DEFC-prestaties aangetoond.

Door nieuwe materialen met op maat gemaakte eigenschappen te ontwikkelen, hebben onderzoekers met succes verschillende uitdagingen aangepakt die verband houden met DEFC's. Deze ontwikkelingen hebben geleid tot verbeterde efficiëntie, grotere duurzaamheid en lagere kosten, waardoor DEFC's dichter bij praktische toepassingen in draagbare stroombronnen, autobrandstofcellen en andere elektrochemische apparaten komen te staan.