Så långt tillbaka som 1930-talet, uppfinnare har kommersialiserat bränsleceller som en mångsidig kraftkälla. Nu, forskare från Japan har lyft fram den imponerande kemin hos en väsentlig komponent i en kommande bränslecellsteknologi.

I en studie som nyligen publicerades i Journal of Physical Chemistry Letters , forskare från University of Tsukuba har avslöjat successiv protontransport - energiöverföring - i en avancerad kolbaserad kristall för framtida bränsleceller, och kemin som ligger till grund för detta fenomen.

Sådana kristaller är spännande som fasta elektrolyter – energiöverföringsmedia – i kommande bränslecellsteknologier. Fasta elektrolyter har fördelar, som hög effekteffektivitet och långsiktig stabilitet, som vissa elektrolyter saknar. Fasta elektrolyter baserade på imidazol är vanliga studieområden. Forskare antar att kristaller av imidazoliumvätesuccinat kan uppvisa successiv protontransport, även känd som protonhoppning. För närvarande, detta har inte bekräftats noggrant, något som forskarna vid University of Tsukuba hade som mål att ta upp.

"Ett brett utbud av labbarbete och datorsimuleringar överensstämmer med enkelriktad protontransport i kristaller av imidazoliumvätesuccinat, " säger ledare och senior författare till studien, Professor Yuta Hori. "Eftersom denna hypotes kräver ytterligare testning, vi beräknade molekylenergin kontra molekylär geometri för våra kristaller, och jämförde våra resultat med experimentella data."

Att göra detta, forskarna studerade kända kristallstrukturer för att undersöka en kemisk struktur som kallas vätebindningar. Vätedynamik på dessa bindningar underlättar protontransport i kristallerna och kan karakteriseras experimentellt med infraröd spektroskopi.

"Spektroskopiresultaten var tydliga, " förklarar Hori. "Vi upptäckte att vid 100°C, jämfört med 30°C, det skedde en övergång till högre energi i en topp som hänför sig till protontransport."

Vidare, forskarnas beräknade toppar – de som motsvarar kemiska enheter som starkt bidrar till vätebindning – överensstämde med experimentdata.

"Vi använde dessa resultat för att konstruera en modell som spårade hur en proton överförs från en imidazolenhet till en annan, " säger Hori. "Vår beräknade potentiella energiyta gav geometriska och energiska data som överensstämmer med protonhoppning."

Bränsleceller används idag för att driva ett brett utbud av civil infrastruktur och teknik, och ger vanligtvis få utsläpp. Förbättra användbarheten av bränsleceller i mer olika tillämpningar, uppnås delvis genom att förstå hur de fungerar, kommer att bidra till att minimera slöseri med energi under de kommande åren.