Vand, vand, ingen steder:Forskning tyder på, at grafan kan fungere som en effektiv og vandfri brintbrændselscellemembran

Brintdrevne brændselscellebiler, udviklet af næsten alle større bilproducenter, er ideelle nul-emissionskøretøjer, fordi de kun producerer vand som udstødning. Imidlertid, deres pålidelighed er begrænset, fordi brændselscellen er afhængig af en membran, der kun fungerer, når der er nok vand til stede, begrænser køretøjets driftsforhold.

Forskere ved University of Pittsburghs Swanson School of Engineering har fundet ud af, at grafans usædvanlige egenskaber-en todimensionel polymer af kulstof og brint-kunne danne en type vandfri "spandbrigade", der transporterer protoner uden behov for vand, potentielt fører til udviklingen af ​​mere effektive brintbrændselsceller til køretøjer og andre energisystemer.

Hovedforsker er Karl Johnson, William Kepler Whiteford -professor i Swanson Schools afdeling for kemi- og petroleumsteknik, og forskerassistent Abhishek Bagusetty er hovedforfatter. Deres arbejde, "Let vandfri protontransport på hydroxylfunktionaliseret grafan", blev offentliggjort i denne uge i Fysisk gennemgangsbreve . Beregningsmodelleringsteknikker kombineret med den højtydende beregningsinfrastruktur ved universitetets Center for Forskningsberegning gjorde dem i stand til at designe dette potentielt banebrydende materiale.

Hydrogenbrændstofceller er som et batteri, der kan genoplades med brint og ilt. Brintet kommer ind i den ene side af brændselscellen, hvor det nedbrydes til protoner (hydrogenioner) og elektroner, mens ilt kommer ind på den anden side og i sidste ende kombineres kemisk med protoner og elektroner for at producere vand, frigiver en masse energi.

I hjertet af brændselscellen er en protonudvekslingsmembran (PEM). Disse membraner er for det meste afhængige af vand for at hjælpe med ledningen af ​​protoner på tværs af membranerne. Alt fungerer godt, medmindre temperaturen bliver for høj eller luftfugtigheden falder, som nedbryder vandmembranen og forhindrer protoner i at migrere hen over membranen. Dr. Johnson forklarer, at af denne grund, der er stor interesse for at udvikle nye membranmaterialer, der kan fungere ved meget lave vandniveauer - eller endda i fuldstændigt fravær af vand (vandfrit).

"PEM'er i nutidens brintbrændselsceller er lavet af en polymer kaldet Nafion, som kun leder protoner, når den har den rigtige mængde vand på sig, " siger Dr. Johnson. "For lidt vand, membranen tørrer ud og protoner holder op med at bevæge sig. For meget og membranen "oversvømmer" og holder op med at fungere, ligner hvordan du kunne oversvømme en karbureret motor med for meget benzin, " han tilføjede.

Dr. Johnson og hans team fokuserede på grafan, fordi når det funktionaliseres med hydroxylgrupper, skaber det en mere stabil, isolerende membran til at lede protoner. "Vores beregningsmodellering viste, at på grund af grafans unikke struktur, det er velegnet til hurtigt at lede protoner over membranen og elektroner over kredsløbet under vandfrie forhold, "Dr. Johnson sagde." Dette ville gøre det muligt for brintbrændstofcellebiler at være et mere praktisk alternativt køretøj. "