有希望的燃料电池电解质的分子工作原理

2019-01-14 09:34:30
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来自纽约大学和斯图加特马克斯普朗克研究所的研究人员在一项自然化学研究中揭示了质子如何在磷酸中移动,该研究揭示了有希望的燃料电池电解质的运作方式。

磷酸燃料电池是第一种商业上使用的现代燃料电池类型,并且已经发现可用作固定和汽车动力源。它们作为电力和热力发电机的高效率使其成为进一步发展的有吸引力的目标。在电池中,磷酸作为介质(或“电解质”)起作用,其传输在反应中产生的质子,该质子使燃料分解穿过电池。实际上,磷酸具有任何已知物质的最高质子传导性,但是它使质子导体如此良好地工作仍然是个谜。

跨越燃料电池的高效质子传输只是在该技术可大规模应用之前必须解决的几个技术挑战之一。该问题的关键是识别合适的电解质材料。通常使用水合聚合物,但这些必须在低于水的沸点的温度下操作,这限制了它们的效用。相反,磷酸燃料电池和其他磷酸盐基电池可以在相当高的温度下操作。

化学家们已经寻求对质子传导现象的分子水平理解已有200多年的历史。最早的研究涉及水,可以追溯到1806年由德国化学家Theodor von Grotthuss撰写的具有里程碑意义的论文。在这篇论文中,Grotthuss认为含水酸中的过量质子本身不会被运输,而是它们产生的化学键合模式,通过相邻水分子之间的一系列短质子素质传输。这种啤酒花通过将水分子连接到网络中的氢键发生。

人们可以将这个过程比作一个旧时的消防队,其中一个长队的每个消防员左手拿着一桶水。线路末端的一名消防员右手拿着一个新的水桶,为了尽可能高效地将水运输到线路上,他将左手的水桶运到邻居的右手边。 。现在,左手和右手拿着水桶的邻居将左手的水桶从生产线上的下一个消防员的右侧移开,这个过程继续这样,直到线路另一端的人持有两桶。总的来说,水是沿着生产线输送的,但是在每次转移中都不是相同的桶。

当然,过量质子在水中的传输并不是那么简单 - 它涉及在每个转移步骤中氢键的复杂重排以适应扩散化学键合模式。因此,水中的质子传输似乎是一个逐步的过程。水面临其他限制 - 它不能作为内在质子导体起作用,但必须在其中添加质子以在任何明显的质子传输发生之前产生酸性水溶液。

Nature Chemistry研究将磷酸中的质子传导与水溶液中过量的质子进行了对比。在他们的工作中,研究人员进行了一种“计算机化实验”或“模拟”,其中不需要事先了解化学过程。唯一的输入是磷酸(氢,氧和磷)的原子组成。基于这种输入,原子的时间运动是根据物理学的基本定律确定的。通过这种方式,可以允许质子传导机制展开并直接从模拟输出中发现。

他们的研究结果表明,磷酸中的质子运动是一个高度合作的过程,一次可能涉及多达五个磷酸分子,作为一种临时的“质子线”或链。基本调查结果如下:

•与在水中作用的逐步机制相反,磷酸以更“流线型”的方式转移质子,其中质子沿着这些临时线之一以协同方式移动。•最终,这种电线维持这种质子运动变得非常不利。因此,该系统然后试图通过破坏该临时线中的一个氢键并与其他附近的磷酸分子形成新的线布置来解决这种不利条件。新的导线布置持续存在,直到它们不再能维持其中的质子运动,此时它们断裂并形成新的导线。这种形成和断开短线的过程允许稳定的质子电流和总体高质子传导率。

尽管磷酸在燃料电池应用中具有其优势,但磷酸燃料电池仍然不如其他类型的电池那样强大,并且作为纯电源,效率不高。然而,对基本质子传递机制的理解可以帮助改善这种细胞的设计或建议可以用作质子载体的其他磷酸盐基材料。

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