Neue ionische Materialien steigern die Effizienz von Wasserstoff-Brennstoffzellen!

Durchbruch trägt dazu bei, den Fortschritt hin zu nachhaltigen Energielösungen im Einklang mit den weltweiten Bemühungen um eine Dekarbonisierung zu beschleunigen

20.09.2023

Ein Forscherteam, das mit der UNIST verbunden ist, hat einen bahnbrechenden Fortschritt bei der Verbesserung der Effizienz von Wasserstoff-Brennstoffzellen erzielt, die als umweltfreundliche Energiequellen der nächsten Generation große Aufmerksamkeit erregen.

Unter der Leitung von Professor Myoung Soo Lah vom Fachbereich Chemie der UNIST entwickelte das Team erfolgreich feste Elektrolytmaterialien unter Verwendung von metallorganischen Gerüsten (MOFs). Dieser innovative Ansatz verbessert die Leitfähigkeit von Wasserstoffionen im Festelektrolyten, der in Wasserstoffbrennstoffzellen eingesetzt wird, erheblich. Darüber hinaus führte das Forscherteam Gastmoleküle mit geringem Säuregehalt ein - eine Pionierleistung unter den zu diesem Zweck verwendeten Zwischenprodukten. Durch die Anwendung einer neuartigen Methode, die die Anzahl der Gastmoleküle in den MOF-Poren erhöht, erzielten sie eine verbesserte Wasserstoffionenleitfähigkeit.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind hocheffiziente und umweltfreundliche Geräte zur Stromerzeugung, die chemische Energie aus der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische Energie umwandeln. Derzeit wird in Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzellen überwiegend Nafion als Elektrolytmaterial verwendet, da es neben seiner hohen Wasserstoffionenleitfähigkeit auch thermisch, mechanisch und chemisch stabil ist. Diese Systeme unterliegen jedoch Einschränkungen hinsichtlich ihres Betriebstemperaturbereichs und es fehlt an Klarheit über die Mechanismen zur Leistungssteigerung.

Das Forschungsteam wandte seine Aufmerksamkeit MOFs als potenzielle Alternativen zu. MOFs sind Materialien, die aus Metallclustern bestehen, die durch organische Liganden miteinander verbunden sind und eine poröse Struktur bilden. Mit ihren hervorragenden chemischen und thermischen Stabilitätseigenschaften haben MOFs in letzter Zeit großes Interesse für den Einsatz in Brennstoffzellenanwendungen geweckt. Darüber hinaus besitzen MOFs nach ihrer Herstellung Poren unterschiedlicher Größe, die zur Entwicklung von Materialien mit hoher Wasserstoffionenleitfähigkeit genutzt werden können, indem Gastmoleküle durch diese Kanäle eingeführt werden.

In dieser Studie des UNIST-Forschungsteams unter der Leitung von Professor Myoung Soo Lah wurden zwitterionische Sulfamidsäure - eine amphotere ionische Substanz mit niedrigem Säuregehalt, die sowohl positive als auch negative Ladungen besitzt - als Gastmoleküle in zwei Arten von MOFs, nämlich MOF-808 und MIL-101, eingebracht. Sulfaminsäure, ein Gastmolekül mit außergewöhnlichen Wasserstoffbindungsfähigkeiten in verschiedenen Formen, fungiert effektiv als Medium für die Übertragung von Wasserstoffionen. Durch die Erhöhung der Menge an Sulfaminsäure in den Poren der MOFs gelang es dem Team, Materialien zu entwickeln, die eine hohe Wasserstoffionenleitfähigkeit aufweisen (sie erreichen Werte von 10-1 Scm-1 oder höher). Darüber hinaus wiesen diese Materialien eine bemerkenswerte Haltbarkeit auf, da sie die Wasserstoffionenleitfähigkeit über einen längeren Zeitraum beibehielten.

Die Forschungsergebnisse sind sehr vielversprechend für die Verbesserung der Effizienz und Leistung von Wasserstoffbrennstoffzellen durch die Verwendung von metallorganischen Gerüsten. Dieser Durchbruch trägt dazu bei, den Fortschritt auf dem Weg zu nachhaltigen Energielösungen im Einklang mit den globalen Bemühungen zur Dekarbonisierung zu beschleunigen.

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Originalveröffentlichung

Amitosh Sharma, Jaewoong Lim, Seonghwan Lee, Seungwan Han, Junmo Seong, Seung Bin Baek, Myoung Soo Lah; "Back Cover: Superprotonic Conductivity of MOFs Confining Zwitterionic Sulfamic Acid as Proton Source and Conducting Medium (Angew. Chem. Int. Ed. 29/2023)"; Angewandte Chemie International Edition, Volume 62, 2023-6-20

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