BESSY II 的用户研究：新材料如何提高直接乙醇燃料电池的效率

时间：2022-06-02 19:06:56来源：

来自巴西的一个小组和一个 HZB 团队研究了一种用于乙醇燃料电池的新型复合膜。它由聚合物 Nafion 组成，其中钛化合物的纳米颗粒通过很少探索的熔体挤出工艺嵌入其中。在 BESSY II，他们能够详细观察 Nafion 基质中的纳米颗粒是如何分布的，以及它们如何有助于提高质子传导性。

乙醇的体积能量密度(6.7 kWh/L)是氢气(1.3 kWh/L)的五倍，可以安全地用于燃料电池发电。特别是在巴西，人们对更好的乙醇燃料电池非常感兴趣，因为该国都在销售以甘蔗为原料的可再生方式生产的低成本乙醇。理论上，乙醇燃料电池的效率应该是 96%，但实际上在最高功率密度下，由于各种原因，它只有 30%。所以有很大的改进空间。

Nafion 与纳米粒子

因此，由巴西研究机构 IPEN 的 Bruno Matos 博士领导的一个团队正在研究用于直接乙醇燃料电池的新型复合膜。一个有前途的解决方案是定制新的基于聚合物的复合电解质材料，以取代最先进的聚合物电解质，例如 Nafion。Matos 和他的团队使用熔体挤出工艺生产基于 Nafion 的复合膜，并带有额外的钛酸盐纳米颗粒，这些纳米颗粒已被磺酸基团官能化。

BESSY II 的红外实验

Matos 的团队现已在 BESSY II 的红外光束线 IRIS 处彻底分析了 Nafion 复合膜的四种不同成分。小角 X 射线散射测量证实钛颗粒与 Nafion 的离聚物基质协同相互作用。

质子电导率增加

使用红外光谱，他们观察到在功能化纳米粒子的磺酸基团之间形成了化学桥。此外，通过跟踪离子簇的质子运动，他们发现复合膜中的质子传导性增加，即使在高浓度的纳米粒子下也是如此。“这是我们没想到的真正惊喜，”IRIS-Beamline 的 HZB 科学家 Ljiljana Puskar 博士说。随着纳米粒子的增加，电导率的降低是阻碍高性能复合材料发展的主要障碍之一。较高的质子传导率可以允许更好的电荷载流子迁移率，从而提高直接乙醇燃料电池的效率。

熔体挤出的优势

“这种复合膜可以通过熔融挤出生产，这将允许它们以工业规模生产，”马托斯指出。

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