21.07.2022 - Tokyo University of Science

Neuartiger Multiprotonträgerkomplex als effizienter Protonenleiter bei hohen Temperaturen

Forscher entwickeln einen hochsymmetrischen Ruthenium(III)-Komplex mit sechs Imidazol-Imidazolat-Gruppen für effiziente Hochtemperatur-Protonenleitung in Brennstoffzellen

Im Zuge der weltweiten Entwicklung hin zu umweltfreundlicheren und nachhaltigeren Energiequellen erhalten Brennstoffzellen große Aufmerksamkeit. Der Hauptvorteil von Brennstoffzellen besteht darin, dass sie Wasserstoff, einen sauberen Brennstoff, verwenden und bei der Stromerzeugung nur Wasser als Nebenprodukt erzeugen. Diese neue und saubere Stromquelle könnte herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien ersetzen, die derzeit alle modernen elektronischen Geräte antreiben.

Die meisten Brennstoffzellen verwenden eine Nafion-Membran - eine ionische Membran auf Basis eines synthetischen Polymers - die als protonenleitender Festelektrolyt auf Wasserbasis dient. Die Verwendung von Wasser als protonenleitendes Medium bringt jedoch einen großen Nachteil für die Brennstoffzelle mit sich, nämlich die Unfähigkeit, bei Temperaturen über 100 ֯ C ordnungsgemäß zu funktionieren, der Temperatur, bei der Wasser zu sieden beginnt, was zu einem Abfall der Protonenleitfähigkeit führt. Daher besteht ein Bedarf an neuen Protonenleitern, die Protonen auch bei solch hohen Temperaturen effizient übertragen können.

Vor kurzem hat ein japanisches Forscherteam unter der Leitung von Prof. Makoto Tadokoro von der Tokyo University of Science (TUS) einen neuartigen Hochtemperatur-Protonenleiter auf der Basis eines Imidazol-Imidazolat-Metallkomplexes entwickelt, der selbst bei 147 °C eine effiziente Protonenleitfähigkeit aufweist (Abb. 1). Zum Forschungsteam gehörten Dr. Fumiya Kobayashi von der TUS, Dr. Tomoyuki Akutagawa und Dr. Norihisa Hoshino von der Tohoku Universität, Dr. Hajime Kamebuchi von der Nihon Universität, Dr. Motohiro Mizuno von der Kanazawa Universität und Dr. Jun Miyazaki von der Tokyo Denki Universität. "Imidazol, eine stickstoffhaltige organische Verbindung, hat als alternativer Protonenleiter an Popularität gewonnen, da es auch ohne Wasser funktioniert. Es hat jedoch eine geringere Protonenübertragungsrate als das herkömmlich verwendete Nafion und schmilzt bei 120°C. Um diese Probleme zu überwinden, haben wir sechs Imidazol-Einheiten in ein Ruthenium(III)-Ioneingeführt, um einen neuen Metallkomplexzu entwickeln, der als Multiprotontenträger fungiert und eine hohe Temperaturstabilität aufweist", erklärt Prof. Tadokoro auf die Frage nach den Gründen für ihre Studie.

Das Team entwarf ein neues Molekül, bei dem drei Imidazol- (HIm) und drei Imidazolatgruppen (Im-) an ein zentrales Ruthenium(III)-Ion (Ru3+) gebunden waren. Der resultierende molekulare Einkristall war hochsymmetrisch und ähnelte einer "Starburst"-Form. Bei der Untersuchung der Protonenleitfähigkeit dieses Starburst-Metallkomplexes stellte das Team fest, dass jede der sechs Imidazolgruppen, die an das Ru3+-Ion gebunden sind, als Protonenüberträger fungiert. Dadurch ist das Molekül sechsmal stärker als einzelne HIm-Moleküle, die jeweils nur ein Proton transportieren können.

Das Team untersuchte auch den Mechanismus, der der Fähigkeit der Starburst-Moleküle, Protonen bei hohen Temperaturen zu leiten, zugrunde liegt. Sie fanden heraus, dass die Protonenleitfähigkeit bei einer Temperatur von mehr als -70 °C aus einzelnen lokalisierten Rotationen der HIm- und Im-Gruppen und dem Protonensprung zu anderen Ru(III) -Komplexen im Kristall über Wasserstoffbrückenbindungen resultiert. Bei Temperaturen jenseits von 147 °C entstand die Protonenleitfähigkeit jedoch durch die Rotation des gesamten Moleküls, die auch für die überlegene Protonenleitfähigkeit bei hohen Temperaturen verantwortlich war. Diese Rotation, die das Team mit Hilfe der so genannten " Festkörper-2H-NMR-Spektroskopie" nachweisen konnte, führte zu einer Leitfähigkeit, die um drei Größenordnungen höher war = 3,08 × 10-5 S/cm) als die der einzelnen HIm-Moleküle = 10-8 S/cm).

Das Team ist der Ansicht, dass ihre Studie als neues Antriebsprinzip für protonenleitende Festkörperelektrolyte dienen könnte. Die Erkenntnisse aus ihrem neuartigen Moleküldesign könnten genutzt werden, um neue Hochtemperatur-Protonenleiter zu entwickeln und die Funktionalität der bestehenden zu verbessern. " Brennstoffzellen sind der Schlüssel zu einer saubereren und grüneren Zukunft. Unsere Studie bietet einen Fahrplan zur Verbesserung der Leistung dieser kohlenstoffneutralen Energieressourcen bei hohen Temperaturen, indem molekulare Protonenleiter entworfen und implementiert werden, die Protonen bei solchen Temperaturen effizient übertragen können", schließt Prof. Tadokoro.

Hoffentlich sind wir nicht zu weit von einer Zukunft entfernt, die auf Brennstoffzellen und sauberer Energie basiert.

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