Protoners rejsevej i polymerer kan føre til rene brændstoffer

Protoner - subatomære partikler med en positiv elektrisk ladning - er en af ​​de første partikler, der er dannet efter universets begyndelse og er en bestanddel af hvert atom, der eksisterer i dag. Bevægelsen af ​​protoner spiller en nøglerolle i energiomdannelsesprocesser, såsom fotosyntese og respiration, i biologiske systemer. Ud over, protonledning er en vigtig faktor for brintbrændselsceller, som ofte udråbes som den ideelle rene energikilde til næste generation.

Høj protonledning observeret i biomaterialer såsom sukker og proteinderivater tilskrives tilstedeværelsen af ​​protondonerende funktionelle grupper (substituenter i et molekyle, der styrer dets karakteristiske kemiske reaktioner). Imidlertid, den nøjagtige mekanisme for protontransport i disse materialer er ikke klart forstået (f.eks. om protonerne foretrækker at flyde langs biomaterialets overflade, dvs. grænsefladetransport, eller gennem hovedparten). I øvrigt, det er ikke klart, hvordan koncentrationen af ​​den funktionelle gruppe kan påvirke protontransportveje.

På denne baggrund, i en ny undersøgelse, der for nylig er offentliggjort i tidsskriftet Elektrokemi , et team af forskere fra Japan, ledet af Assoc.Prof. Yuki Nagao fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) og Athchaya Suwansoontorn, en ph.d. studerende ved JAIST, samt Assoc.Prof. Katsuhiro Yamamoto fra Nagoya Institute of Technology, Prof. Shusaku Nagano fra Rikkyo University og Prof. Jun Matsui fra Yamagata University, satte sig for at undersøge, hvordan protonledning blev påvirket i styrenbaserede polymerer med ændringen i koncentrationen af ​​carboxylsyre, en protondonerende organisk syre, der almindeligvis findes i biomaterialer. Suwansoontorn forklarer motivationen for deres forskning:"Undersøgelsen af ​​protontransportveje er fundamentalt vigtig for at belyse funktionen af ​​mange biologiske systemer."

Forskerholdet syntetiserede systematisk polymerer med forskellige koncentrationer af carboxylsyre og fremstillede dem som tynde film med højt overflade-til-bulk-forhold for at muliggøre undersøgelse af grænsefladetransportegenskaber. Efter dette, de karakteriserede polymerstrukturerne ved hjælp af en række standardkarakteriseringsteknikker.

Forskerholdet observerede tilstedeværelsen af ​​to slags carboxylsyregrupper (COOH) i polymererne:frie COOH-grupper, som var mere rigelige ved højere koncentrationer, og cykliske dimer COOH-grupper, som var udbredt i lave koncentrationer. For at korrelere dette med protontransport, forskerne undersøgte protonledning i planet ved hjælp af impedansspektroskopi og beregnede grænseflademodstanden for at måle muligheden for grænsefladetransport.

De fandt, at en høj COOH-koncentration var mere befordrende for intern protontransport, mens lavere koncentrationer begunstigede grænsefladetransport. De tilskrev dette til tilstedeværelsen af ​​frie COOH-grupper i høje koncentrationer, der genererede flere hydrogenbindingsnetværk, lette protonledning. Desuden, de bekræftede denne idé ved at vise, at et højere antal frie COOH-grupper på grænsefladen førte til højere grænsefladeledning.

"Vores forskning kan bidrage til at udvikle bioledende materialer til biologiske enheder involveret i protonledning og miljøvenlige brændselsceller, " siger Suwansoontorn, overvejer de praktiske konsekvenser af resultaterne. "Fra et bredere perspektiv, det kan lette folks liv ved at støtte biologiske teknologier og udvikling af grøn energiapplikation."

For at bekæmpe klimaændringer, grønnere energi er tidens behov. I den sammenhæng, resultaterne af denne undersøgelse lover nogle spændende konsekvenser at se frem til, helt sikkert!