Wasser, Wasser, Nirgendwo: Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Graphane als effiziente und wasserfreie Wasserstoff-Brennstoffzellenmembran fungieren könnte

Anonim

Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenautos, die von fast allen großen Automobilherstellern entwickelt wurden, sind ideale emissionsfreie Fahrzeuge, da sie nur Wasser als Abgas erzeugen. Ihre Zuverlässigkeit ist jedoch begrenzt, da die Brennstoffzelle auf einer Membran beruht, die nur dann funktioniert, wenn genügend Wasser vorhanden ist, was die Betriebsbedingungen des Fahrzeugs einschränkt.

Forscher an der Swanson School of Engineering der University of Pittsburgh haben herausgefunden, dass die ungewöhnlichen Eigenschaften von Graphen - einem zweidimensionalen Polymer aus Kohlenstoff und Wasserstoff - eine Art wasserfreier "Eimerkette" bilden können, die Protonen transportiert, ohne dass Wasser benötigt wird zur Entwicklung von effizienteren Wasserstoff-Brennstoffzellen für Fahrzeuge und andere Energiesysteme.

Der Hauptforscher ist Karl Johnson, der William Kepler Whiteford Professor an der Fakultät für Chemie und Petroleum Engineering der Swanson School und der wissenschaftliche Mitarbeiter Abhishek Bagusetty ist der Hauptautor. Ihre Arbeit "Facile wasserfreier Protonentransport auf Hydroxyl-funktionalisiertem Graphan" wurde diese Woche in Physical Review Letters veröffentlicht. Computational Modeling-Techniken in Verbindung mit der Hochleistungs-Computer-Infrastruktur am Center for Research Computing der Universität ermöglichten ihnen, dieses potentiell bahnbrechende Material zu entwerfen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind wie eine Batterie, die mit Wasserstoff und Sauerstoff aufgeladen werden kann. Der Wasserstoff dringt auf eine Seite der Brennstoffzelle ein, wo er in Protonen (Wasserstoffionen) und Elektronen zerlegt wird, während Sauerstoff auf die andere Seite gelangt und schließlich chemisch mit den Protonen und Elektronen unter Bildung von Wasser kombiniert wird und viel Energie freisetzt .

Im Kern der Brennstoffzelle befindet sich eine Protonenaustauschmembran (PEM). Diese Membranen beruhen hauptsächlich auf Wasser, um die Leitung von Protonen durch die Membranen zu unterstützen. Alles funktioniert gut, es sei denn, die Temperatur wird zu hoch oder die Feuchtigkeit sinkt ab, wodurch die Membran des Wassers aufgebraucht wird und die Protonen daran gehindert werden, über die Membran zu wandern. Dr. Johnson erklärt, dass aus diesem Grund ein reges Interesse an der Entwicklung neuer Membranmaterialien besteht, die bei sehr niedrigen Wasserspiegeln arbeiten können - oder sogar in der vollständigen Abwesenheit von Wasser (wasserfrei).

"PEMs in heutigen Wasserstoff-Brennstoffzellen bestehen aus einem Polymer namens Nafion, das nur dann Protonen leitet, wenn es die richtige Menge Wasser enthält", sagt Dr. Johnson. "Zu wenig Wasser, die Membran trocknet aus und Protonen hören auf, sich zu bewegen. Zu viel und die Membran" flutet "und hört auf zu funktionieren, ähnlich wie man einen Vergasermotor mit zu viel Benzin überfluten könnte", fügte er hinzu.

Dr. Johnson und sein Team konzentrierten sich auf Graphen, da es bei der Funktionalisierung mit Hydroxylgruppen eine stabilere, isolierende Membran für die Protonen leitet. "Unsere computergestützte Modellierung zeigte, dass aufgrund der einzigartigen Struktur von Graphan es gut geeignet ist, Protonen unter wasserfreien Bedingungen schnell durch die Membran und Elektronen durch den Kreislauf zu leiten", sagte Dr. Johnson. "Dies würde Wasserstoff-Brennstoffzellen-Autos zu einem praktikableren alternativen Fahrzeug machen."

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