Forskare har utvecklat en ny klass av kristallina porösa organiska salter med hög protonledningsförmåga för tillämpningar som protonutbytesmembran för bränsleceller. Som rapporterats i tidningen Angewandte Chemie , polära kanaler som innehåller vatten spelar en avgörande roll för protonledning. Vid cirka 60 °C och hög luftfuktighet, deras protonledningsförmåga är en av de bästa som hittills hittats i ett poröst material.

Porösa organiska material är potentiellt användbara för många applikationer, inklusive katalytiska system, separationsprocesser, och gasförråd. Även om dessa ramliknande strukturer varierar mycket, de har en sak gemensamt:deras komponenter är sammankopplade genom kovalenta bindningar. Porösa organiska salter, å andra sidan, är en ny klass av material med komponenter som hålls samman av jonbindningar, attraktionskrafterna mellan positiva och negativt laddade joner. De är utmanande att producera eftersom deras porer vanligtvis kollapsar; jonbindningarna hos tidigare kända organiska salter är inte tillräckligt starka för att stabilisera en porös struktur.

Forskare som arbetar med Teng Ben vid Jilin University (Changchun, Kina) har nu framgångsrikt kombinerat organiska baser och syror för att producera salter med mycket starka bindningar och definierade kristallina strukturer som bildar stabila porsystem. Dessa mycket porösa fasta ämnen har den högsta inre ytan som någonsin hittats i ett organiskt salt. Forskarna visade en signifikant korrelation mellan styrkan hos jonbindningarna och stabiliteten hos porstrukturen.

Porerna i salterna bildar endimensionella kanaler och kan hålla vatten. Vattenmolekylerna är bundna till varandra och till de laddade grupperna genom vätebindning. Dessa aspekter ger salterna deras ovanligt höga protonledningsförmåga. Material med hög protonledningsförmåga har blivit i fokus eftersom de är bra elektrolyter för bränsleceller. I en bränslecell, två halvreaktioner av en kemisk reaktion inträffar när de är fysiskt åtskilda. Den mest populära versionen använder reaktionen syre och väte för att bilda vatten. I detta fall, de två cellerna måste byta protoner (positivt laddade väteatomer) genom en elektrolyt – vanligtvis genom ett protonledande polymermembran. Forskare har letat efter mer effektiva, robusta elektrolyter. Dessa nya salter kan vara kandidater. De är mycket stabila vid högre temperaturer och deras protonledningsförmåga ökar när temperaturen stiger.

I konventionella polymermembran, protontransport sker genom vattenhaltiga kanaler genom vilka protonerna inom nätverket överförs från en molekyl till nästa genom vätebundna vattenmolekyler. I salterna, transportmekanismen är annorlunda. Beräkningar visar att protonerna skickas genom kanalerna med "kurir":En vattenmolekyl binder en proton och diffunderar genom kanalen, släpper ut protonen på andra sidan.