Forskare utvecklar ett mycket symmetriskt rutenium (III)-komplex med sex imidazol-imidazolatgrupper för effektiv högtemperaturprotonledning i bränsleceller. Kredit:Tokyo University of Science
När världen går mot mer miljövänliga och hållbara energikällor, får bränsleceller stor uppmärksamhet. Den största fördelen med bränsleceller är att de använder väte, ett rent bränsle, och producerar endast vatten som en biprodukt samtidigt som de genererar elektricitet. Denna nya och rena elkälla kan ersätta konventionella litiumjonbatterier, som för närvarande driver alla moderna elektroniska enheter.
De flesta bränsleceller använder ett Nafion-membran - ett syntetiskt polymerbaserat jonmembran - som fungerar som en vattenbaserad proton som leder fast elektrolyt. Användningen av vatten som ett protonledningsmedium skapar emellertid en stor nackdel för bränslecellen, nämligen oförmågan att fungera korrekt vid temperaturer över 100°C, den temperatur vid vilken vattnet börjar koka, vilket leder till en minskning av protonledningsförmågan. . Därför finns det ett behov av nya protonledare som kan överföra protoner effektivt även vid så höga temperaturer.
I ett nyligen genomfört genombrott rapporterade ett team av forskare från Japan, ledd av prof. Makoto Tadokoro från Tokyo University of Science (TUS), en ny imidazol-imidazolatmetallkomplexbaserad högtemperaturprotonledare som visar effektiv protonledningsförmåga även vid 147° C. I forskargruppen ingick Dr Fumiya Kobayashi från TUS, Dr Tomoyuki Akutagawa och Dr Norihisa Hoshino från Tohoku University, Dr Hajime Kamebuchi från Nihon University, Dr Motohiro Mizuno från Kanazawa University och Dr Jun Miyazaki från Tokyo Denki University.
"Imidazol, en kvävehaltig organisk förening, har vunnit popularitet som en alternativ protonledare för sin förmåga att fungera även utan vatten. Den har dock en lägre protonöverföringshastighet än konventionellt använda Nafion och smälter vid 120°C. För att övervinna dessa problem introducerade vi sex imidazolgrupper i en rutenium(III)-jon för att designa ett nytt metallkomplex som fungerar som en bärare av flera protoner och har hög temperaturstabilitet", förklarar Prof. Tadokoro när han tillfrågas om logiken bakom deras studie, som var publicerad i Chemistry—A European Journal och med på framsidan av tidskriften.
I en ny studie har forskare från Japan utvecklat ett nytt rutenium(III)-jonkomplex med sex imidazol-/imidazolatgrupper som kan fungera som bärare av flera protoner och som visar hög temperaturstabilitet. Den översta bilden visar protontransportläget under 147˚C, vilket involverar individuella lokaliserade rotationer av de sex individuella imidazolgrupperna och protonhopp till andra rutenium (III)-komplex. Den nedre bilden visar protontransportläget över 147˚C, där hela molekylen genomgår rotation. Kredit:Makoto Tadokoro från Tokyo University of Science
Teamet designade en ny molekyl där tre imidazoler (HIm) och tre imidazolater (Im - ) grupper fästes till en central rutenium(III)jon (Ru 3+ ). Den resulterande enmolekylära kristallen var mycket symmetrisk och liknade en "stjärnburst"-form. Efter att ha undersökt protonledningsförmågan hos detta metallkomplex av starburst-typ fann teamet att var och en av de sex imidazolgrupperna var fästa vid Ru 3+ jon fungerar som en protonsändare. Detta gjorde molekylen 6 gånger mer potent än enskilda HIM-molekyler, som bara kunde transportera en proton åt gången.
Teamet undersökte också mekanismen bakom högtemperaturprotonledningsförmågan hos starburst-molekylerna. De fann att vid en temperatur på mer än –70°C var protonledningsförmågan ett resultat av individuella lokaliserade rotationer av HIm och Im - grupper och protonhopp till andra Ru(III) komplex i kristallen via vätebindningar. Vid temperaturer över 147°C uppstod emellertid protonledningsförmågan från helmolekylrotation, vilket också var ansvarig för den överlägsna protonledningsförmågan vid höga temperaturer. Denna rotation, bekräftad av teamet med en teknik som kallas "solid-state 2 H-NMR-spektroskopi," resulterade i en konduktivitetshastighet som var tre storleksordningar större (σ =3,08 × 10 -5 S/cm) än för individuella HIM-molekyler (σ =10 -8 S/cm).
Teamet tror att deras studie skulle kunna fungera som en ny drivande princip för protonledande elektrolyter i fast tillstånd. Insikterna från deras nya molekylära design skulle kunna användas för att utveckla nya högtemperaturprotonledare samt förbättra funktionaliteten hos de befintliga. "Bränsleceller har nyckeln till en renare och grönare morgondag. Vår studie erbjuder en färdplan för att förbättra prestandan för dessa kolneutrala energiresurser vid höga temperaturer genom att designa och implementera molekylära protonledare som kan överföra protoner effektivt vid sådana temperaturer", avslutar Prof. Tadokoro. + Utforska vidare
