Vätgasbränsleceller erbjuder en attraktiv källa till kontinuerlig energi för fjärranvändningar, från rymdfarkoster till avlägsna väderstationer. Bränslecellens effektivitet minskar när Nafion -membranet, används för att separera anoden och katoden i en bränslecell, sväller när det interagerar med vatten.
Ett ryskt och australiensiskt samarbete har nu visat att detta Nafion -separatormembran delvis rullar upp några av dess ingående fibrer, som sedan sticker ut från ytan till massvattenfasen i hundratals mikron.
Forskargruppen leddes av en grupp i Ryssland tillsammans med den australiensiska professorn Barry Ninham från Australian National University i Canberra, en ledande specialist inom kolloid- och gränssnittsvetenskap. Deras resultat publicerades i veckan i The Journal of Chemical Physics .
Forskargruppen började detta projekt för att undersöka en föreslagen hypotes som tillskrev ett nytt vattentillstånd för att förklara svullnad av Nafion -membranet. Istället, de är de första som beskriver tillväxten av polymerfibrer som sträcker sig från membranytan när den interagerar med vatten. Antalet fibrer ökar som en funktion av deuteriumkoncentrationen av vattnet.
"För att öka vår förståelse för dessa membran, vi behövde beskriva molekylnivåinteraktionen mellan deutererat vatten och polymeren, "Bunkin sa." Nu när vi känner till strukturen för "uteslutningszonen", vi kan skräddarsy Nafions struktur och dess elektriska egenskaper genom att studera förändringar som orsakas av jonspecifika (Hofmeister) effekter på dess organisation och funktion. "
Nafion är det högpresterande kommersiellt tillgängliga väteoxid-protonutbytesmembranet som hittills använts i bränsleceller. Dess porösa natur medger betydande koncentration av elektrolytlösningen samtidigt som anoden separeras från katoden, som tillåter flödet av elektroner som producerar energi i bränslecellen.
Forskarna fann att membranet är specifikt känsligt för deuteriuminnehållet i omgivande vatten genom att väva ytans struktur. Polymerfibrerna sträcker sig från membranet till vattnet. Effekten är mest uttalad i vatten med deuteriumhalt mellan 100 och 1, 000 delar per miljon.
För denna studie, laget utvecklade en specialiserad laserinstrument (fotoluminescerande UV-spektroskopi) för att karakterisera polymerfibrerna längs membran-vatten-gränssnittet. Även om de enskilda fibrerna inte observerades direkt på grund av instrumentets rumsliga begränsning, laget upptäckte pålitligt sin utväxt i vattnet.
"Betydelsen av detta arbete kan ge en entré till några mycket grundläggande områden inom biologi och energiproduktion som vi inte hade en aning om, "Sa Bunkin.
