Conocimiento de la transferencia de protones en las células de combustible de membrana de intercambio de protones...

Área de la Ciencia:

• Ciencia de los materiales Ciencia de los materiales.
• La electroquímica es electroquímica.
• Química computacional es la química computacional.

Sus antecedentes:

• Las membranas de intercambio de protones (PEM) son componentes críticos en las células de combustible, que permiten el transporte de protones.
• El desarrollo de PEMs eficientes y estables es esencial para el avance de la tecnología de pilas de combustible.
• Los materiales inorgánicos ofrecen ventajas potenciales en términos de estabilidad y conductividad.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar una nueva membrana de intercambio de protones (PEM) para celdas de combustible que utilice ácido fosfotungstico inorgánico (HPW) y sílice mesoporosa.
• Investigar las energías de la migración de protones y el mecanismo de salto dentro del PEM HPW-mesosilica desarrollado utilizando la teoría funcional de densidad (DFT).
• Para correlacionar los hallazgos computacionales con las mediciones experimentales de conductividad de protones.

Principales métodos:

• Síntesis de un nuevo material compuesto HPW-meso-sílice para aplicaciones PEM.
• Espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) para medir la conductividad de los protones y la energía de activación.
• Cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) que emplean la aproximación del gradiente generalizado (GGA) para modelar las vías de transferencia de protones y la energía.

Principales resultados:

• El PEM HPW-mesosilica exhibió una conductividad de protones de 0.11 S cm(-1) a 90 °C y 100% de humedad relativa (RH), con una baja energía de activación de ~14 kJ mol(-1).
• Los cálculos de DFT identificaron las vías de transferencia de protones intramoleculares e intermoleculares dentro de la membrana.
• Se descubrió que la vía de transferencia de protones intramolecular es la etapa que limita la velocidad, determina la conductividad total de los protones y explica la meseta de conductividad por encima del 67 wt% HPW.

Conclusiones:

• El PEM HPW-mesosilica desarrollado demuestra una conductividad de protones prometedora para aplicaciones de celdas de combustible.
• Los cálculos de DFT proporcionan información crucial sobre el mecanismo de transferencia de protones, destacando el papel de la transferencia intramolecular dentro de HPW.
• Los hallazgos sugieren que la optimización de la carga y disposición de HPW es clave para mejorar el rendimiento de PEM, mientras que las superficies de sílice pura exhiben una mala conductividad de protones.