Etanol har fem gånger högre volymetrisk energitäthet (6,7 kWh/L) än väte (1,3 kWh/L) och kan användas säkert i bränsleceller för elproduktion. Särskilt i Brasilien finns ett stort intresse för bättre bränsleceller för etanol då det landet distribuerar lågprisetanol framställd på ett förnybart sätt av sockerrör. Teoretiskt sett, effektiviteten för en etanolbränslecell bör vara 96 ​​procent, men i praktiken är den vid den högsta effekttätheten bara 30 procent, på grund av en mängd olika anledningar. Så det finns mycket utrymme för förbättringar.

Nafion med nanopartiklar

Ett team ledd av Dr Bruno Matos från det brasilianska forskningsinstitutet IPEN undersöker därför nya kompositmembran för direkta etanolbränsleceller. En lovande lösning är att skräddarsy nya polymerbaserade kompositelektrolytmaterial för att ersätta den toppmoderna polymerelektrolyten som Nafion. Matos och hans team använder en smältextruderingsprocess för att producera kompositmembran baserade på Nafion med ytterligare titanat-nanopartiklar, som har funktionaliserats med sulfonsyragrupper.

Infraröda experiment vid BESSY II

Matos team har nu noggrant analyserat fyra olika sammansättningar av Nafion-kompositmembran vid den infraröda strållinjen IRIS på BESSY II. Småvinklar röntgenspridningsmätningar bekräftade att titanpartiklarna samverkade synergistiskt med jonomermatrisen av Nafion.

Protonledningsförmågan ökade

Med hjälp av infraröd spektroskopi, de observerade att kemiska broar bildades mellan sulfonsyragrupperna i de funktionaliserade nanopartiklarna. Dessutom, genom att följa protonernas rörelse längs jonklustren, de fann ökad protonledningsförmåga i kompositmembranet, även vid höga koncentrationer av nanopartiklar. "Det här var en riktig överraskning som vi inte förväntade oss, "Dr Ljiljana Puskar, HZB-forskare vid IRIS-Beamline säger. Minskningen av konduktiviteten med ökningen av nanopartiklarna är ett av de största hindren som försenar utvecklingen av högpresterande kompositmaterial. Den högre protonledningsförmågan skulle kunna möjliggöra bättre laddningsbärares rörlighet och därmed öka effektiviteten hos den direkta etanolbränslecellen.

Fördel med smältextrudering

"Detta kompositmembran kan tillverkas genom smältextrudering, som skulle möjliggöra deras produktion i industriell skala, " påpekar Matos.