Los científicos de la Universidad de Liverpool han logrado un avance importante que podría conducir al diseño de mejores materiales para celdas de combustible.
en un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , demuestran cómo sintetizaron moléculas de jaula del tamaño de un nanómetro que pueden usarse para transportar carga en aplicaciones de membrana de intercambio de protones PEM.
Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones PEMFC se consideran una tecnología prometedora para la generación de energía limpia y eficiente en el siglo XXI.
Los PEMFC contienen membrana de intercambio de protones PEM, que transporta protones cargados positivamente desde el electrodo positivo de la célula al negativo. La mayoría de los PEM se hidratan y la carga se transfiere a través de redes de agua dentro de la membrana.
Para diseñar mejores materiales PEM, se necesita saber más sobre cómo la estructura de la membrana permite que los protones se muevan fácilmente a través de ella. Sin embargo, muchos PEM están hechos de polímeros amorfos, por lo que es difícil estudiar cómo se conducen los protones porqueno se conoce la estructura precisa
Los científicos del Departamento de Química de la Universidad sintetizaron moléculas que encierran una cavidad interna, formando una jaula orgánica porosa en la que se pueden cargar otras moléculas más pequeñas, como agua o dióxido de carbono. Cuando las jaulas forman materiales sólidos, pueden organizarse para formarcanales en los que las pequeñas moléculas 'invitadas' pueden viajar de una jaula a otra.
El material forma cristales en los que la disposición de las jaulas es muy regular. Esto permitió a los investigadores construir una descripción inequívoca de la estructura mediante cristalografía, una técnica que permite ubicar las posiciones de los átomos. Las moléculas también son solubles en comúnsolventes, lo que significa que podrían combinarse con otros materiales y fabricarse en membranas.
midieron la conductividad protónica de estas jaulas orgánicas porosas después de cargar los canales con agua, para evaluar su viabilidad como materiales PEM. Las jaulas exhibieron conductividades de protones de hasta 10-3 S cm1, que es comparable a algunas de las mejores porosasmateriales marco en la literatura.
En colaboración con investigadores de la Universidad de Edimburgo, Centro de Investigación de Neutrones en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST, y Laboratorio de Ciencia y Tecnología de Defensa DSTL, utilizaron una combinación de mediciones experimentales y simulaciones por computadora para construirUna rica imagen de cómo los protones son conducidos por las moléculas de la jaula.
Dos características distintivas de la conducción de protones en los cristales orgánicos de la jaula se destacaron como principios de diseño para futuros materiales PEM. Primero, las jaulas están dispuestas de modo que los canales se extiendan en tres dimensiones. Esto significa que el movimiento de los protones no se limita auna dirección particular, como en el caso de muchos materiales porosos probados hasta ahora.
Segundo, las jaulas dirigen el movimiento de las moléculas de agua, lo que significa que los protones pueden pasar rápidamente entre ellas. Además, las jaulas son lo suficientemente flexibles como para permitir que el agua se reorganice, lo que también es importante cuando los protones se transportan desde un aguamolécula a la siguiente en distancias más largas.
El Dr. Ming Liu, quien dirigió el trabajo experimental, dijo: "Además de introducir una nueva clase de conductores de protones, este estudio destaca los principios de diseño que podrían extenderse a materiales futuros.
"Por ejemplo, el 'confinamiento blando' que observamos en estos sólidos hidratados sugiere nuevos conductores de protones anhidros donde una jaula porosa hospeda y modula la conductividad protónica de las moléculas invitadas distintas al agua. Esto facilitaría el desarrollo de PEMFC de alta temperatura, ya que la pérdida de agua ya no sería una consideración "
El químico de Liverpool, Dr. Sam Chong, agregó: "El trabajo también da una idea fundamental de la difusión de protones, que es muy importante en biología".
El Dr. Chong ha sido nombrado recientemente como profesor en la Fábrica de Innovación de Materiales de la Universidad MIF. Debido a su apertura en 2017, el FOMIN de £ 68M está listo para revolucionar la investigación y el desarrollo de la química de materiales al facilitar el descubrimiento de nuevos materiales que tienen elpotencial para ahorrar energía y recursos naturales, mejorar la salud o transformar una variedad de procesos de fabricación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Liverpool . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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