フォスフォタングスティック酸の機能化されたメソポラスシリカ基の陽子交換膜燃料電池における陽子転送の洞察

科学分野:

• マテリアルサイエンス 材料科学
• 電気化学 電気化学について
• コンピューティング・ケミストリー

背景:

• 陽子交換膜 (PEM) は,燃料電池の重要な構成要素であり,陽子輸送を可能にします.
• 効率的で安定したPEMの開発は,燃料電池技術の進歩に不可欠です.
• 無機材料は,安定性と伝導性の観点から潜在的な利点を提供しています.

研究 の 目的:

• 燃料電池のための新しい陽子交換膜 (PEM) を開発するために,無機リン酸 (HPW) とメソポラスシリカを使用します.
• 密度関数理論 (DFT) を用いて,開発されたHPW-メソシリカPEM内の陽子移動エネルギーとジャンプメカニズムを調査する.
• 計算上の発見と実験的な陽子伝導度測定を相関させるため.

主な方法:

• PEMアプリケーションのための新しいHPW-メソシリカ複合材料の合成.
• 電子化学阻抗スペクトロスコーピー (EIS) は,陽子の伝導性と活性化エネルギーを測定します.
• 密度関数理論 (DFT) の計算では,一般化グラデーション近似法 (GGA) を用いて,陽子伝送経路とエネルギーモデルを作成した.

主要な成果:

• HPW-メソシリカPEMは90°C,100%の相対湿度 (RH) で0.11 S cm(-1) の陽子伝導性を示し,低活性化エネルギーは~14 kJ mol(-1) でした.
• DFT計算は,膜内の分子内および分子間陽子伝送経路の両方を特定しました.
• 分子内プロトン伝送経路は,速度を制限するステップであり,全体的なプロトン伝導性を決定し,67 wt% HPW以上の伝導性高原を説明していることが判明しました.

結論:

• 開発されたHPW-メゾシリカPEMは,燃料電池アプリケーションのプロトン伝導性を有望に示しています.
• DFT計算は,陽子伝送メカニズムに関する重要な洞察を提供し,HPW内の分子内伝送の役割を強調します.
• この結果は,HPWの負荷と配置を最適化することが,PEMのパフォーマンスを向上させるための鍵であり,純粋なシリカ表面は陽子伝導性が低いことを示唆しています.