Protonenmembranen samengesteld uit 2-D gelaagde fosfor nanobladen

Synthese en karakteriseringen van Cd_0,85PS₃Li_0,3 en Cd_0,85PS₃Li_0,15H._0,15 nanobladen. Credit: Wetenschap (2020). DOI: 10.1126 / science.abb9704

Een team van onderzoekers verbonden aan een groot aantal instellingen in China heeft een nieuwe klasse protonenuitwisselingsmembranen (PEM’s) ontwikkeld die is samengesteld uit overgangsmetaalfosfortrichalcogenide nanobladen. In hun paper gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschapbeschrijft de groep het gebruik van metalen vacatures om de geleidbaarheid in de PEM’s te verbeteren. Fengmei Wang en Jun He van het National Center for Nanoscience and Technology, Beijing hebben een Perspective-stuk gepubliceerd in hetzelfde tijdschriftnummer waarin de geschiedenis van protonenuitwisselingsmembraanonderzoek wordt geschetst en het werk van het team in deze nieuwe inspanning.

PEM’s zijn semipermeabele membranen die meestal worden gemaakt met ionomeren. Ze worden geproduceerd als een middel voor het geleiden van protonen en fungeren als zowel een elektronische isolator als een reactantbarrière. Typische toepassingen zijn onder meer brandstofcellen, chemische filters en sensoren. Een van hun nadelen is dat ze hun geleidbaarheid verliezen bij hoge temperaturen en lage luchtvochtigheid. In deze nieuwe poging hebben de onderzoekers een nieuwe klasse PEM’s ontwikkeld die deze beperkingen tot op zekere hoogte overwint.

Momenteel worden de meeste functionele PEM’s gemaakt van polymeren of van materialen die zijn ingebed in een polymeermatrix. De huidige standaard is de Nafion PEM. Het is gemaakt met behulp van een gesulfoneerd op tetrafluorethyleen gebaseerd fluorpolymeercopolymeer. Net als andere PEM’s doet het zijn werk via kanalen die zijn geoptimaliseerd voor het overbrengen van protonen, en net als andere PEM’s moeten poriën worden geïntroduceerd om hydratatie uit te voeren. De onderzoekers met deze nieuwe inspanning hebben dit ontwerp verbeterd door te beginnen met CdPS₃, een gelaagd anorganisch materiaal. Vervolgens verwijderden ze kleine hoeveelheden cadmium om vacatures te creëren, wat resulteerde in een verhoogde geleidbaarheid van de protonen. Testen van het nieuwe ontwerp lieten zien dat het een protongeleidbaarheid had van ongeveer 0,95 S / cm in een omgeving van 90 ° C en 98% RV. De onderzoekers merken op dat het proces ook werkt voor membranen op basis van mangaan – ze hebben deze secundaire benadering getest en ontdekten dat het met succes lithiumionen transporteerde.

De onderzoekers merken op dat hun aanpak de creatie van PEM’s mogelijk maakt die niet alleen efficiënter zijn dan die welke momenteel worden gebruikt, maar ook de creatie mogelijk maken van PEM-gebaseerde producten die kunnen worden gebruikt bij hogere temperaturen (tot 90 graden Celsius) en toepassingen met lagere luchtvochtigheid (tot 53% RV).