В статье, опубликованной в Nature Communications, они демонстрируют, как они синтезировали клеточные молекулы нанометрового размера, которые можно использовать для переноса заряда в протонообменных мембранах (PEM).Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) считаются многообещающей технологией для экологически чистого и эффективного производства энергии в двадцать первом веке.PEMFC содержат протонообменную мембрану (PEM), которая переносит положительно заряженные протоны от положительного электрода ячейки к отрицательному.
Большинство PEM гидратированы, и заряд передается через водные сети внутри мембраны.Чтобы разработать более качественные материалы PEM, необходимо больше знать о том, как структура мембраны позволяет протонам легко проходить через нее. Однако многие ПЭМ сделаны из аморфных полимеров, поэтому трудно изучить, как проходят протоны, поскольку точная структура неизвестна.
Ученые из химического факультета университета синтезировали молекулы, которые окружают внутреннюю полость, образуя пористую органическую клетку, в которую могут быть загружены другие более мелкие молекулы, такие как вода или углекислый газ. Когда клетки образуют твердые материалы, они могут образовывать каналы, по которым маленькие «гостевые» молекулы могут перемещаться из одной клетки в другую.
Материал образует кристаллы, в которых клетки расположены очень правильно. Это позволило исследователям построить однозначное описание структуры с помощью кристаллографии — метода, который позволяет определять положение атомов. Молекулы также растворимы в обычных растворителях, что означает, что они могут быть объединены с другими материалами и изготовлены в виде мембран.
Они измерили протонную проводимость этих пористых органических клеток после загрузки каналов водой, чтобы оценить их жизнеспособность в качестве материалов PEM. Клетки показали протонную проводимость до 10-3 См см1, что сопоставимо с некоторыми из лучших пористых каркасных материалов в литературе.В сотрудничестве с исследователями из Эдинбургского университета, Центра нейтронных исследований Национального института стандартов и технологий (NIST) и (DSTL) они использовали комбинацию экспериментальных измерений и компьютерного моделирования для создания богатого картина того, как протоны проводятся молекулами клетки.Две отличительные особенности протонной проводимости в органических каркасных кристаллах были выделены в качестве принципов проектирования будущих материалов ПЭМ.
Во-первых, клетки располагаются так, что каналы проходят в трех измерениях. Это означает, что движение протонов не ограничено определенным направлением, как в случае многих пористых материалов, испытанных до сих пор.Во-вторых, клетки направляют движение молекул воды, а это означает, что протоны могут быстро проходить между ними.
Кроме того, клетки достаточно гибкие, чтобы позволить воде реорганизоваться, что также важно, когда протоны переносятся от одной молекулы воды к другой на большие расстояния.Доктор Мин Лю, руководивший экспериментальной работой, сказал: «Помимо введения нового класса протонных проводников, это исследование подчеркивает принципы конструкции, которые могут быть распространены на будущие материалы.«Например,« мягкое удержание », которое мы наблюдаем в этих гидратированных твердых телах, предполагает наличие новых безводных протонных проводников, в которых размещается пористая клетка-хозяин, и модулирует протонную проводимость гостевых молекул, отличных от воды. Это облегчило бы разработку высокотемпературных PEMFC, поскольку потеря воды больше не будет рассматриваться ".
Ливерпульский химик доктор Сэм Чонг добавил: «Эта работа также дает фундаментальное понимание диффузии протонов, которая имеет большое значение в биологии».Доктор Чонг недавно был назначен лектором на фабрике инновационных материалов университета (MIF). Открытие в 2017 году MIF?
68M призвано произвести революцию в исследованиях и разработках в области химии материалов, облегчая открытие новых материалов, которые могут сэкономить энергию и природные ресурсы, улучшить здоровье или преобразовать различные производственные процессы.