Ein Forschungsteam hat eine neue Methode entwickelt, um den Austausch von großen Brennstoffmolekülen und die Degradation von Elektroden in der Brennstoffzellentechnologie mit Methanol oder Ameisensäure zu verhindern. Dies wird durch die Verwendung von gelochten Graphensheets mit chemischer Funktionalisierung als Protonenaustauschmembranen erreicht. Diese Membranen haben 5-10 nm große Löcher, die mit sulfanilischen Funktionsgruppen modifiziert sind und den Eindringen von Brennstoffmolekülen erfolgreich entgegenwirken und eine hohe Protonenleitfähigkeit aufrechterhalten.
Die Nachfrage nach direkter Methanol/Ameisensäure-Brennstoffzellentechnologie nimmt aufgrund ihrer Kohlenstoffneutralität zu. Herkömmliche Protonenaustauschmembranen leiden jedoch unter dem Phänomen des Molekülaufatmens, bei dem Brennstoffmoleküle zwischen Anoden und Kathoden übertragen werden und zu ihrer unnötigen Oxidation und Elektroden-Deaktivierung führen.
Bisherige Ansätze zur Hemmung der Migration von Brennstoffmolekülen beinhalteten die Erhöhung der Membrandicke oder das Sandwichen zweidimensionaler Materialien, was die Protonenleitfähigkeit verringerte. In dieser Studie konzentrierten sich die Forscher auf Strukturen, die die Migration durch elektrisch osmotischen Drag und sterische Behinderung hemmen. Sie fanden heraus, dass die sulfanilisch-funktionalisierte Graphenmembran im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Nafion-Membranen die Degradation der Elektroden unterdrücken kann, während die erforderliche Protonenleitfähigkeit aufrechterhalten wird.
Zusätzlich kann allein das Aufkleben der Graphenmembran auf eine herkömmliche Protonenaustauschmembran das Molekülaufatmen unterdrücken. Diese Forschung trägt zur Entwicklung fortgeschrittener Brennstoffzellen als Alternative zu Wasserstoff-Brennstoffzellen bei.
Einführung
In den letzten Jahren hat die Nachfrage nach Direktmethanol-/Ameisensäure-Brennstoffzellentechnologie zur Erreichung der Kohlenstoffneutralität zugenommen. Eine der größten Herausforderungen auf diesem Gebiet ist jedoch das Crossover-Phänomen, bei dem Treibstoffmoleküle zwischen Anoden und Kathoden wandern und unnötige Oxidation und Deaktivierung der Elektroden verursachen. In diesem Artikel werden wir eine neue Methode untersuchen, die von einem Forschungsteam entwickelt wurde, um Crossover und Elektrodenabbau mithilfe von perforierten Graphenschichten als Protonenaustauschmembranen zu verhindern.
Die Herausforderung des Crossover in der Brennstoffzellentechnologie
Bevor wir uns der Lösung widmen, die vom Forschungsteam vorgeschlagen wurde, wollen wir die Herausforderung des Crossover in der Brennstoffzellentechnologie diskutieren. Der Transfer von Treibstoffmolekülen zwischen Anoden und Kathoden kann schädliche Auswirkungen haben, wie z. B. Elektrodenabbau und reduzierte Effizienz. Herkömmliche Protonenaustauschmembranen waren bisher nicht in der Lage, Crossover effektiv zu verhindern, was zu einem Bedarf an innovativen Lösungen führte.
Bisherige Ansätze zur Verhinderung von Crossover
In der Vergangenheit wurden Versuche unternommen, die Migration von Treibstoffmolekülen in der Brennstoffzellentechnologie zu hemmen. Einige Methoden umfassten die Erhöhung der Membrandicke, während andere sich auf die Sandwichbildung von zweidimensionalen Materialien konzentrierten. Diese Ansätze führten jedoch oft zu einer Reduzierung der Protonenleitfähigkeit, was ihre Effektivität in der praktischen Anwendung einschränkte.
Der Ansatz des Forschungsteams: Hemmung der Migration durch Struktur
Das Forschungsteam verfolgte einen anderen Ansatz und konzentrierte sich auf Strukturen, die die Migration durch elektroosmotischen Druck und sterische Hinderung hemmen. Ihre Studie führte sie zu der Erkenntnis, dass perforierte Graphenschichten mit chemischer Funktionalisierung Crossover effektiv verhindern und eine hohe Protonenleitfähigkeit aufrechterhalten können.
Die Lösung: Perforierte Graphenschichten mit chemischer Funktionalisierung
Die vom Forschungsteam vorgeschlagene Lösung besteht darin, perforierte Graphenschichten als Protonenaustauschmembranen zu verwenden. Diese Membranen haben Löcher mit einem Durchmesser von 5-10 nm, die mit sulfanilischen Funktionsgruppen modifiziert sind. Diese Modifikation blockiert erfolgreich das Eindringen großer Treibstoffmoleküle und erhält eine hohe Protonenleitfähigkeit aufrecht.
Vorteile von sulfanilisch-funktionalisierten Graphenmembranen
Die sulfanilisch-funktionalisierten Graphenmembranen bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Protonenaustauschmembranen:
- Verhinderung von Crossover großer Treibstoffmoleküle
- Aufrechterhaltung einer hohen Protonenleitfähigkeit
- Unterdrückung des Elektrodenabbaus
- Im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Nafion-Membranen
Unterdrückung von Crossover durch Auftragen von Graphen auf herkömmliche Membranen
Zusätzlich zur Verwendung der sulfanilisch-funktionalisierten Graphenmembranen als eigenständige Protonenaustauschmembranen hat das Forschungsteam herausgefunden, dass das einfache Auftragen der Graphenmembran auf herkömmliche Membranen das Crossover-Phänomen ebenfalls effektiv unterdrücken kann. Dies bietet eine praktische und kostengünstige Lösung, die problemlos in bestehenden Brennstoffzellsystemen implementiert werden kann.
Auswirkungen und zukünftige Entwicklung
Die Entwicklung von perforierten Graphenschichten mit chemischer Funktionalisierung als Protonenaustauschmembranen stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Brennstoffzellentechnologie dar. Durch die effektive Verhinderung von Crossover und Elektrodenabbau tragen diese Membranen zur Weiterentwicklung von Direktmethanol-/Ameisensäure-Brennstoffzellen als Alternative zu Wasserstoffbrennstoffzellen bei. Weitere Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten auf diesem Gebiet werden die Einführung kohlenstoffneutraler Energielösungen vorantreiben.
Schlussfolgerung
Die Verhinderung von Crossover und Elektrodenabbau in der Brennstoffzellentechnologie ist entscheidend für die Verbesserung von Effizienz und Haltbarkeit. Der Einsatz von sulfanilisch-funktionalisierten Graphenmembranen mit perforierten Strukturen bietet eine vielversprechende Lösung für diese Herausforderung. Die Ergebnisse des Forschungsteams ebnen den Weg für die Entwicklung fortschrittlicherer und effizienterer Brennstoffzellsysteme und tragen zur Umstellung auf eine nachhaltige und kohlenstoffneutrale Zukunft bei.
