Nyt multi-protonbærerkompleks som en effektiv protonleder ved høje temperaturer

I takt med at verden bevæger sig mod mere miljøvenlige og bæredygtige energikilder, får brændselsceller stor opmærksomhed. Den største fordel ved brændselsceller er, at de bruger brint, et rent brændstof, og kun producerer vand som et biprodukt, mens de genererer elektricitet. Denne nye og rene kilde til elektricitet kunne erstatte konventionelle lithium-ion-batterier, som i øjeblikket driver alle moderne elektroniske enheder.

De fleste brændselsceller bruger en Nafion-membran - en syntetisk polymerbaseret ionisk membran - der tjener som en vandbaseret proton, der leder fast elektrolyt. Brugen af ​​vand som et protonledningsmedium skaber imidlertid en stor ulempe for brændselscellen, nemlig den manglende evne til at fungere ordentligt ved temperaturer over 100°C, den temperatur hvor vand begynder at koge, hvilket fører til et fald i protonledningsevnen. . Derfor er der behov for nye protonledere, der kan overføre protoner effektivt selv ved så høje temperaturer.

I et nyligt gennembrud rapporterede et team af forskere fra Japan, ledet af prof. Makoto Tadokoro fra Tokyo University of Science (TUS), en ny imidazol-imidazolatmetalkompleksbaseret højtemperaturprotonleder, der viser effektiv protonledningsevne selv ved 147° C. Forskerholdet omfattede Dr. Fumiya Kobayashi fra TUS, Dr. Tomoyuki Akutagawa og Dr. Norihisa Hoshino fra Tohoku University, Dr. Hajime Kamebuchi fra Nihon University, Dr. Motohiro Mizuno fra Kanazawa University og Dr. Jun Miyazaki fra Tokyo Denki University.

"Imidazol, en nitrogenholdig organisk forbindelse, har vundet popularitet som en alternativ protonleder for sin evne til at fungere selv uden vand. Den har dog en lavere protonoverførselshastighed end konventionelt brugt Nafion og smelter ved 120°C. For at overvinde disse problemer introducerede vi seks imidazoldele i en ruthenium(III)-ion for at designe et nyt metalkompleks, der fungerer som en multi-proton-bærer og har høj temperaturstabilitet," forklarer prof. Tadokoro, da han bliver spurgt om begrundelsen bag deres undersøgelse, som var offentliggjort i Chemistry—A European Journal og vist på forsiden af ​​tidsskriftet.

Holdet designede et nyt molekyle, hvor tre imidazoler (HIm) og tre imidazolater (Im ^- ) grupper blev knyttet til en central ruthenium (III) ion (Ru ³⁺ ). Den resulterende enkeltmolekylære krystal var yderst symmetrisk og lignede en "stjerneudbrud"-form. Efter at have undersøgt protonledningsevnen af ​​dette metalkompleks af starburst-type fandt holdet, at hver af de seks imidazolgrupper knyttet til Ru ³⁺ ion fungerer som en protontransmitter. Dette gjorde molekylet 6 gange mere potent end individuelle HIM-molekyler, som kun kunne transportere én proton ad gangen.

Holdet undersøgte også den mekanisme, der ligger til grund for højtemperaturprotonledningsevnen hos stjerneskudsmolekylerne. De fandt ud af, at ved en temperatur på mere end –70°C var protonledningsevnen et resultat af individuelle lokaliserede rotationer af HIm og Im ^- grupper og protonspring til andre Ru(III) komplekser i krystallen via hydrogenbindinger. Ved temperaturer over 147°C opstod imidlertid protonledningsevnen fra helmolekyle-rotation, som også var ansvarlig for den overlegne protonledningsevne ved høje temperaturer. Denne rotation, bekræftet af holdet ved hjælp af en teknik kaldet "solid-state ² H-NMR-spektroskopi," resulterede i en konduktivitetshastighed tre størrelsesordener større (σ =3,08 × 10 ^-5 S/cm) end for individuelle HIM-molekyler (σ =10 ^-8 S/cm).

Holdet mener, at deres undersøgelse kunne fungere som et nyt drivende princip for protonledende faststofelektrolytter. Indsigten fra deres nye molekylære design kunne bruges til at udvikle nye højtemperaturprotonledere samt forbedre funktionaliteten af ​​de eksisterende. "Brændselsceller har nøglen til en renere og grønnere morgendag. Vores undersøgelse tilbyder en køreplan for at forbedre ydeevnen af ​​disse kulstofneutrale energiressourcer ved høje temperaturer ved at designe og implementere molekylære protonledere, der kan overføre protoner effektivt ved sådanne temperaturer," konkluderer Prof. Tadokoro. + Udforsk yderligere

Nye højprotonledere med iboende iltfattige lag åbner en bæredygtig fremtid