Dünya, sınırlı ve çevresel zararlı fosil yakıt üretiminden, düşük karbonlu ve yenilenebilir enerji kaynaklarınakayıyor 1,2. Bu geçiş içinde, hidrokarbon temelli ekonomiden hidrojen ekonomisine geçiş, ulaşım, ev içi ve ticari sektörlerde sürdürülebilir enerji taleplerini karşılamak için önerilmiştir; yakıt hücreleri hidrojenin elektriğe dönüştürülmesinde verimli bir yolsağlanmaktadır 1,2,3. Çeşitli yakıt hücresi teknolojileri arasında, proton değişim membran yakıt hücreleri (PEMFC) özellikle yüksek güç yoğunluğu ve hızlı başlat-durdurma yetenekleri nedeniyle hem dağıtık güç hem de hareketlilik uygulamaları için özellikle cazip hale gelir; yan ürün olarak yalnızca sukullanılır 1,2,3,4,5 . Bu çalışmada, sürdürülebilir MOF/polimer karışık matriks zarları üretmek ve kontrollü sıcaklık ve nem altında düzlem içi proton iletkenliklerini doğru ölçümek için tekrarlanabilir bir yöntem sunuyoruz.
PEMFC'nin kalbi, anottan katotaproton taşınımını sağlayan polimer elektrolit membranıdır 6. Proton taşınımı ya hidratlı proton türlerinin su veya su kümeleriyle dağıldığı araç mekanizmasıyla ya da protonların hidrojen bağ ağı boyunca zıpladığı bir zıplama (Grotthuss)mekanizması yoluyla gerçekleşir 6,7. Perflorlu omurga ve sarma perfloro eter yan zincirlerine sahip bir perfloro sulfonik asit (PFSA) iyonomeri olan Nafion, sülfonik asit (–SO 3H) gruplarıyla sonlandırılmış bir ticari PEM8 ölçüt olarak kalmaktadır. 70–80 °C'de mükemmel proton iletkenliğine (10-2-10-1 S·cm-1) ve %95–100 bilgili nem (RH) olmasına rağmen, Nafion sıcaklık ve nem bu koşullardan saptığında belirgin bir iletkenlik düşüşü gösterir; bu da düşük RH ve/veya yüksek çalışma sıcaklığı 8,9 altında performansı sınırlar. Ayrıca, gaz geçişi, yüksek üretim maliyeti ve zar üretimi ve kullanımı sırasında polifloroalkil maddelerle (PFAS) ilgili çevresel / toksisite endişeleri gibi diğer sınırlamalar, sağlam proton taşınımı sağlayan alternatif, daha sürdürülebilir PEM'lerin geliştirilmesini teşvik etmiştir; bu PEM'ler daha iyi çevresel uyumluluk ve daha düşük maliyetsağlar 7,9.
Bu uygulama için alternatif malzemeler arasında Metal-Organik Çerçeveler (MOF'lar) umut vadeden adaylar olarak görülmektedir. Bunlar, metal düğümlerden (iyonlar/kümeler/zincirler...) ve organik bağlayıcılardan (karboksilatlar, azolatlar, fosfonatlar...) oluşan gözenekli kristal katıdır; bu da belirli özellikleri hedeflemeyi sağlayan olağanüstü kimyasal ve yapısal yönlülük sunar. MOF'larda proton iletkenliği son yirmi yılda incelenmiştir 10,11,12 ve proton iletkenliğini artırmak için linker veya inorganik küme fonksiyonelleşmesi, asidik dopantların dahil edilmesi/emdirilmesi ve defekt kontrolü gibi farklı yaklaşımlar kullanılabilir. Bu stratejiler, bazı durumlarda Nafion 13,14,15,16,17'ye benzer veya daha fazla proton iletkenliğine sahip MOF'ların geliştirilmesine yol açmıştır. Ponomareva ve ark.17, mezoporoz MIL-101(Cr)'yi (MIL Matériaux de l'Institut Lavoisier anlamına gelir) uçucu olmayan güçlü asitlerle (sulu H2SO4 veya H3PO4) emdirdi, ardından fazla sıvıyı çıkarıp kurutarak H2SO4@MIL-101 ve H3PO4@MIL-101 oluşturdu; böylece konsantre asidi kafeslerde ek proton kaynakları olarak hapsetti. Sınırlı asit/su fazı, kapiler hapsetme ile stabilize edilen Grotthuss benzeri bir proton taşıması sağladı ve çok düşük nemde (150 °C'de 1 × 10-2 S·cm-1, %1,1 RH) yüksek sıcaklık iletimi mümkün kaldı. Taylor ve ark.15, UiO-66'yı (UiO, Oslo Üniversitesi'ni ifade eder) kusur kontrolüyle daha iyi bir proton iletkenine ayarladı. Sentez sırasında eksik linker/köprü dışı ligand kusurlarını metal/linker oranlarını ayarlayarak kontrol ettiler ve Lewis-asit Zirkonyum (Zr) bölgeleri üreten ve gözenek hacmini ve hidrofilisi artıran bir monokarboksilik asit modülatörü kullanıldı. Bu kusur noktaları proton taşıyıcı konsantrasyonunu artırdı ve önemli olarak, büyümüş gözenek ağı hidratlı H-bağ ağı içinde proton taşınımını artırır; bu da 65 °C ve %95 RH'de yaklaşık 3 merteme × 10-3 S·cm-1'e kadar iletkenlik artışı sağlar.
Son zamanlarda, grubumuz yeşil koşullarda (su ve toksik olmayan çözücüler veya reaktantlar kullanılarak) yüksek hacim iletkenliği gösteren birkaç proton ileten MOF geliştirmiştir; örneğin MIP-202(Zr), MIP-177-SO4H ve MIP-207-SO3H(Ti) (MIP, Paris'ten Gözenekli Malzemeler Enstitüsü'nün Malzemeleri anlamına gelir)14,18,19. MIP-202(Zr), mikrogözenekli bir amino asit (aspartik asit) bazlı Zr-MOF'dur ve NH₃⁺/Cl⁻ çiftlerini entegre eder ve bu MOF'a zwitterionik bir karakter verir. Brønsted-asidik –NH3+ grupları, Zr-oksokümesinin μ₃-OH noktaları ve gözeneklerdeki su ağı ile birleşince, 90°C'de 1.1 × 10⁻2 S·cm-1 ve %95 RH oranında yüksek proton iletkenliği sağlar. Bir diğer özellikle ilginç MOF, MIP-207-SO3H'dir; çünkü 2D katmanlı ultra-mikrogözenekli yapısı sayesinde bağlantıcı 1,3,5-benzentrikarboksilik asit (BTC) linkerleri kısmen 5-SO3H-izoftalik asit (SO3H-IPA) ile değiştirilir; böylece gözenekli -SO3H Brønsted-asit siteleri ortaya çıkar ve yerine getirilmemiş MIP-207(Ti) ile aynı çerçeve topolojisini korur. -SO3H grupları, kalan -CO2H gruplarıyla birlikte proton bağışçısı olarak hareket eder ve adsorbe edilmiş su ile birlikte Grotthuss tipi taşınımı mümkün kılan sürekli bir H-bağ ağı oluşturur; bu da 90 °C'de 2,6 x 10-2 S·cm-1 proton iletkenliği ve %95 RH ile %28 %14 kısmi ikame derecesi sağlar.
Birçok MOF mükemmel içsel proton iletimini gösterse de, genellikle kırılgan mikrokristalin tozlar olarak elde edilirler, bu nedenle toplu bir MOF PEM, Nafion gibi yoğun, sürekli bir film yerine paketlenmiş bir partikül tabakası gibi davranır. Bir membran elektrot montajı (MEA) sıkıştırma basıncı ve tekrarlanan hidrasyon/dehidrasyon altında, parçacık–parçacık sınırları mikro boşluklar veya çatlaklar şeklinde açılabilir ve bu da proton ileten ağ 20 üzerinden taşınmayı zorlamak yerine reaktant gaz geçişini artıran seçici olmayan yollaroluşturabilir. Bu nedenle, MOF nanopartikülleri genellikle bir polimermatris 21 içinde şekillendirilir veya gömülüp bulunur. SPEEK gibi Nafion veya diğer yaygın polimerlerle ilgili çok sayıda örnek bulunsa da, Chitosan, Alginate, Nanoselüloz veya Lignin gibi biyopolimerler, doğal olarak bol bulundukları, su ile işlenebilir, florsuz ve serbest duran filmlere dönüştürülebildikleri için şu anda cazip PEM matrisleri olarak yoğun şekildearaştırılıyor 22,23,24 . Benzer şekilde, Poly (vinil alkol) (PVA) gibi sentetik biyouyumlu polimerler, mekanik bütünlük, iyi hidrasyon sağlayan sürdürülebilir bir membran matrisi veya karışım bileşeni olarak yaygın olarak araştırılırken, MOF'lar proton-donör/taşıma noktaları sağlar ve gaz geçişini daha karmaşık difüzyon yolları oluşturarak baskılamaya yardımcıolur 25. Kompozit içindeki proton perkolasyonuna olası katkılarının yanı sıra, bu polimerler kompozitin mekanik özelliklerini modüle etme ve kompozit zarların geçiş özelliklerini azaltma/kontrol etme imkanı da sunar.
PEM için tanımlayıcı performans parametresi olarak proton iletkenliğinin önemini göz önünde bulundurarak, bu çalışmada membran üretimi için tekrarlanabilir adım adım bir iş akışı sunuyoruz ve polimer, PVA ve MIP-207-SO3H kompozit membranlarının düzlem içi proton iletkenliğini, sıcaklık ve nem kontrollü bir kurulumda elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) kullanılarak nicelleştiriyoruz. Birçok düzlem iletkenlik hücresinin aksine, zar elektrotlar arasında sıkıştırılmak zorunda kalırken, ölçülen direnç elektrod-membran temas direncinden güçlü şekilde etkilenebilir ve mesh elektrotları kullanıldığında, ağ izleri yerel olarak etkili temas alanını ve membran kalınlığını değiştirir, bu da iletkenlik ölçümlerinietkileyebilir 26. İki elektrotlu düzlem içi kurulum, arayüz katkılarını en aza indirir ve ölçümtekrarlanabilirliğini artırır 26. Bu yöntem, daha iyi tekrarlanabilirlik, elektrot-membran arayüz etkilerini azaltar ve farklı bileşimlere sahip zarlar arasında daha güvenilir karşılaştırma sağlar. Protokolümüz, MIP-207-SO3H sentezini, PVA/MIP-207-SO3H zarlarının hazırlanmasını kısaca detaylandırıyor ve ardından proton iletkenliği ölçümlerinde ilgili adımların sunumunu sunuyor; ölçüm hücresine montaj, tanımlanmış RH/sıcaklık ayar noktaları için empedans spektrumlarının alınması ve son olarak proton iletkenliği hesaplaması dahil. Bu protokol, proton ileten zarlar tasarlayan araştırmacıların, iyi tanımlanmış nem ve sıcaklık koşullarında farklı membran formülasyonları için düzlem içi proton iletkenliği ölçümleri yapmasını sağlamayı amaçlamaktadır.