Ein Ingenieur-Team an der Washington University in St. Louis, Missouri, hat ein Neue Methode um die Oxidationsrate (oder zentralen Durchbruch) in Brennstoffzellen zu untersuchen, die batteriebetriebene Geräte wie Laptops, Mobiltelefone und Kraftfahrzeuge revolutionieren könnte.
Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität durch die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff und Luft als Oxidationsmittel, so dass sie sauberere Energieformen sind.
Jede Brennstoffzelle hat einen Elektrolyten, der elektrisch geladene Teilchen von einer Elektrode zur anderen trägt, und einen Katalysator, um die Reaktionen der Elektroden zu beschleunigen. Der Elektrolyt spielt eine wichtige Rolle beim Durchlassen passender Ionen und liefert letztlich die richtige chemische Reaktion.
"Wenn Sie ein Gerät kaufen - ein Auto, ein Handy - möchten Sie, dass es so lange wie möglich hält", sagte er Vijay Ramani, die Roma B. und Raymond H. Wittcoff, angesehener Professor für Umwelt und Energie an der School of Engineering & Applied Science der Universität, in einer Erklärung.
Das Problem ist, die Lebensdauer und der Erfolg einer Brennstoffzelle wird durch die Oxidation oder den Zerfall ihrer zentralen Elektrolytmembran beeinflusst, was zu einer Bildung von Löchern in der Membran führen und einen chemischen Kurzschluss verursachen kann.
Um diesen Nachteil zu beheben, nutzen die Forscher die Fluoreszenzspektroskopie innerhalb der Brennstoffzelle, um die Bildung von Chemikalien, nämlich freie Radikale, zu sehen, die für die Oxidation der Elektrolytmembran verantwortlich sind und mögliche Lösungen für das Problem bieten.
"Die Fluoreszenzspektroskopie basiert auf der angeborenen Fähigkeit bestimmter Moleküle (Fluoreszenzsonden), Licht einer bestimmten Wellenlänge zu absorbieren und nach kurzer Zeit Licht in einer Reihe verschiedener Wellenlängen zu emittieren, die das einzigartige Emissionsspektrum dieses Moleküls ausmachen", sagte Ramani .
Diese Moleküle sind sehr empfindlich und einige sind extrem empfindlich gegenüber hochreaktiven freien Radikalen. Wenn sie mit dem freien Radikal interagieren, nimmt ihre Fluoreszenzintensität mit einer Geschwindigkeit ab, die proportional zu der Geschwindigkeit der molekularen Wechselwirkung mit dem Radikal ist. Daher informiert diese Abnahmerate die Forscher über die Konzentration freier Radikale im Testsystem, wodurch sie die für die Oxidation verantwortlichen freien Radikale quantifizieren können.
„Da die freien Radikale, die den Abbau der Brennstoffzellenmembran verursachen, so kurzlebig und die Anionenaustauschmembranen so dünn sind, ist unser neuartiger in situ-Ansatz der Schlüssel, um die chemischen Zersetzungen, die während der Brennstoffzelle auftreten, besser zu untersuchen, zu verstehen und zu verhindern Operation “, sagte Javier Parrondo, Postdoktorand und Forschungskoautor in einer Erklärung,.
In den nächsten Monaten planen die Forscher, in alkalischen Brennstoffzellenmembranen antioxidative Chemikalien einzuführen, um zu sehen, ob sie die Geschwindigkeit verringern können, mit der die Membranen zusammenbrechen.
"Diese Arbeit liefert uns ein detailliertes Verständnis der Entstehungsrate von Superoxid-Anionen-Radikalen und anderen alkalikompatiblen ROS (reaktive Sauerstoffspezies) beim Betrieb von Alkali-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen", sagte Ramani. "Dieses Verständnis wird es uns ermöglichen, geeignete Minderungsstrategien zu entwickeln, die die Lebensdauer von Anionenaustauschmembran-Separatoren verbessern, indem sie deren oxidativen Abbau verhindern."
Das Papier ist veröffentlicht in ChemSusChem.
Zum Forschungsteam gehören auch Yunzhu Zhang, Doktorand in Ramanis Labor und Forschungskoautor, und Shrihari Sankarasubramanian, Doktorand.
