Mer organisation på molekylär nivå skulle kunna förbättra effektiviteten hos membran som används i vätebränslecellerna som ger energi till elbilar och andra industriella tillämpningar, enligt en recension publicerad i tidskriften Vetenskap och teknik för avancerade material .

Vätgasbränsleceller är de energiproducerande komponenterna i elbilar. Att jobba, de behöver kunna dela vätemolekyler i positivt laddade protoner och negativt laddade elektroner. En speciell typ av membran - ett protonledande polymermembran - används för detta ändamål. Det tillåter bara protoner att passera genom det, medan elektronerna kretsar runt membranen för att skapa den önskade elektriska strömmen. Protoner transporteras sedan längs en tunn "jonomer"-film och sedan in i en elektrokemisk katalysator där elektroner och protoner återförenas.

Forskning har visat att protontransport genom de tjockare protonledande polymermembranen är bättre än i de tunnare jonomererna.

Denna andra del av protontransportprocessen måste studeras för att förbättra bränslecellens prestanda, säger materialforskaren Yuki Nagao från Japan Advanced Institute of Science and Technology, som har forskat om protonledande filmer i många år.

Med hjälp av den senaste tekniken, han och andra har undersökt de molekylära strukturerna hos jonomerfilmer och har funnit att ju mer organiserade de är internt, desto bättre leder de protoner.

Vissa jonomerfilmer som vanligtvis används i vätebränsleceller är gjorda med perfluorerad sulfonsyra. Filmerna kan placeras på ytor gjorda av ämnen som kiseloxid, magnesiumoxid, eller sprutad platina eller guld. Nagao har funnit att protonledningsförmågan i dessa filmer beror på typen av yta och kan påverka bränslecellens prestanda.

Molekyler i en annan typ av film, tillverkad av alkylsulfonerad polyimid, bli mer organiserad med vattenupptagningen. Denna egenskap är resultatet av materialets förmåga att gå in i en flytande kristallfas när lösningsmedel tillsätts.

"Att utveckla en bättre förståelse för dessa egenskaper och deras inverkan på protonledning kommer att vara viktigt för att klargöra protonledningsmekanismer, " förklarar Nagao.

Ytterligare forskning behövs för att förstå hur man kontrollerar molekylär organisation genom applicering av externa magnetfält, genom att använda deras flytande kristallegenskaper, eller genom att utveckla vätebindningsnätverk mellan polymerkedjor i de tunna filmerna. Detta kan hjälpa till att leda till en mängd olika applikationer som använder mycket protonledande tunna polymerfilmer.