Een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Tsukuba heeft met succes een nieuwe methode ontwikkeld die de cross-over van grote brandstofmoleculen kan voorkomen en de afbraak van elektroden kan onderdrukken in geavanceerde brandstofceltechnologie met behulp van methanol of mierenzuur.

Het succesvolle zeven van de brandstofmoleculen wordt bereikt via selectieve protonenoverdracht als gevolg van sterische hindering op grafeenplaten met gaten die chemische functionaliteit hebben en fungeren als protonenuitwisselingsmembranen.

Om koolstofneutraliteit te realiseren is de vraag naar de ontwikkeling van directe methanol/mierenzuur-brandstofceltechnologie toegenomen. Bij deze technologie wordt methanol of mierenzuur gebruikt als e-brandstof voor het opwekken van elektriciteit.

De brandstofcellen wekken elektriciteit op via protonenoverdracht; conventionele protonenuitwisselingsmembranen hebben echter last van het ‘crossover-fenomeen’, waarbij de brandstofmoleculen ook worden overgedragen tussen anoden en kathodes. Daarna worden de brandstofmoleculen onnodig geoxideerd en worden de elektroden gedeactiveerd.

In een onderzoek gepubliceerd in Advanced Science hebben onderzoekers een nieuw protonenuitwisselingsmembraan ontwikkeld dat bestaat uit grafeenplaten met gaten met een diameter van 5-10 nm, die chemisch zijn gemodificeerd met sulfanilische functionele groepen die sulfogroepen rond de gaten opleveren.

Als gevolg van sterische hindering door de functionele groepen onderdrukt het grafeenmembraan met succes het crossover-fenomeen door de penetratie van de brandstofmoleculen te blokkeren terwijl de hoge protonengeleiding behouden blijft, misschien wel voor het eerst, aldus de onderzoekers.

Tot nu toe omvatten conventionele benaderingen voor het remmen van de migratie van brandstofmoleculen een toename van de membraandikte of het insluiten van tweedimensionale materialen, wat op zijn beurt de protongeleiding verminderde.

In deze studie onderzochten de onderzoekers structuren die de migratie van brandstofmoleculen remmen door elektro-osmotische weerstand en sterische hinder. Bijgevolg ontdekten ze dat het sulfanil-gefunctionaliseerde grafeenmembraan de degradatie van de elektroden opmerkelijk kan onderdrukken in vergelijking met de in de handel verkrijgbare Nafion-membranen, terwijl de protongeleiding die nodig is voor brandstofcellen behouden blijft.

Bovendien kan het simpelweg plakken van het grafeenmembraan op een conventioneel protonenuitwisselingsmembraan het crossover-fenomeen onderdrukken. Deze studie draagt ​​dus bij aan de ontwikkeling van geavanceerde brandstofcellen als nieuw alternatief voor brandstofcellen van het waterstoftype.

Meer informatie: Samuel Jeong et al., Onderdrukking van methanol- en formate-crossover door sulfanilic-gefunctionaliseerd holey-grafeen als protonenuitwisselingsmembranen, Geavanceerde wetenschap (2023). DOI:10.1002/advs.202304082

Journaalinformatie: Geavanceerde wetenschap

Aangeboden door Universiteit van Tsukuba