Effektiv brændstof-molekyle sigtning ved hjælp af grafen

Et forskerhold ledet af University of Tsukuba har med succes udviklet en ny metode, der kan forhindre krydsning af store brændstofmolekyler og undertrykke nedbrydningen af ​​elektroder i avanceret brændselscelleteknologi ved hjælp af methanol eller myresyre.

Den vellykkede sigtning af brændstofmolekylerne opnås via selektive protonoverførsler på grund af sterisk hindring på hullede grafenplader, der har kemisk funktionalisering og fungerer som protonudvekslingsmembraner.

For at realisere kulstofneutralitet har efterspørgslen efter udvikling af direkte methanol/myresyre-brændselscelleteknologi været stigende. I denne teknologi bruges methanol eller myresyre som e-brændstof til at generere elektricitet.

Brændselscellerne genererer elektricitet via protonoverførsel; dog lider konventionelle protonudvekslingsmembraner af "crossover-fænomenet", hvor brændstofmolekylerne også overføres mellem anoder og katoder. Derefter oxideres brændstofmolekylerne unødigt, og elektroderne deaktiveres.

I en undersøgelse, offentliggjort i Advanced Science , udviklede forskere en ny protonudvekslingsmembran bestående af grafenplader med 5-10 nm-diameter huller, som er kemisk modificeret med sulfaniske funktionelle grupper, der giver sulfogrupper rundt om hullerne.

På grund af sterisk hindring af de funktionelle grupper undertrykker grafenmembranen succesfuldt crossover-fænomenet ved at blokere penetrationen af ​​brændstofmolekylerne og samtidig opretholde høj protonledningsevne, måske for første gang, ifølge forskerne.

Hidtil har konventionelle metoder til at hæmme brændstof-molekyle-migrering involveret en forøgelse af membrantykkelsen eller sandwiching af todimensionelle materialer, hvilket igen reducerede protonledningsevnen.

I denne undersøgelse undersøgte forskerne strukturer, der hæmmer migrationen af ​​brændstofmolekyler gennem elektro-osmotisk træk og sterisk hindring. Følgelig fandt de ud af, at den sulfanilic-funktionaliserede grafenmembran bemærkelsesværdigt kan undertrykke elektrodenedbrydning sammenlignet med de kommercielt tilgængelige Nafion-membraner og samtidig opretholde den protonledningsevne, der kræves til brændselsceller.

Desuden kan blot indsættelse af grafenmembranen på en konventionel protonudvekslingsmembran undertrykke crossover-fænomenet. Dette studie bidrager således til udviklingen af ​​avancerede brændselsceller som et nyt alternativ til brændselsceller af brinttypen.

Flere oplysninger: Samuel Jeong et al., Suppression of Methanol and Formate Crossover through Sulfanilic-Functionalized Holey Graphene as Proton Exchange Membranes, Advanced Science (2023). DOI:10.1002/advs.202304082

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af University of Tsukuba