В исследовании, недавно опубликованном в Письма в Журнал физической химии, исследователи из Университета Цукубы обнаружили последовательный перенос протонов - передачу энергии - в усовершенствованном кристалле на основе углерода для будущих топливных элементов, а также химию, лежащую в основе этого явления.

Такие кристаллы представляют интерес в качестве твердых электролитов - носителей энергии - в будущих технологиях топливных элементов. Твердые электролиты обладают такими преимуществами, как высокая энергоэффективность и долгосрочная стабильность, которых не хватает некоторым электролитам. Твердые электролиты на основе имидазола являются распространенными объектами изучения. Исследователи выдвигают гипотезу, что кристаллы сукцината водорода имидазолия могут проявлять последовательный перенос протонов, также известный как протонный прыжок. В настоящее время это не было строго подтверждено, и исследователи из Университета Цукубы стремились решить эту проблему.

"Широкий спектр лабораторных работ и компьютерного моделирования согласуются с однонаправленным переносом протонов в кристаллах сукцината водорода имидазолия", - говорит ведущий и старший автор исследования профессор Юта Хори. "Поскольку эта гипотеза требует дальнейшей проверки, мы вычислили зависимость молекулярной энергии от молекулярной геометрии наших кристаллов и сравнили наши результаты с экспериментальными данными".

Чтобы сделать это, исследователи изучили известные кристаллические структуры, чтобы исследовать химическую структуру, известную как водородные связи. Динамика водорода в этих связях облегчает перенос протонов внутри кристаллов и может быть экспериментально охарактеризована с помощью инфракрасной спектроскопии.

"Результаты спектроскопии были четкими", - объясняет Хори. "Мы обнаружили, что при 100 ° C, по сравнению с 30 ° C, произошел сдвиг в сторону более высокой энергии в пике, который относится к переносу протонов".

Кроме того, рассчитанные исследователями пики - те, которые соответствуют химическим единицам, которые в значительной степени способствуют образованию водородных связей, - соответствовали экспериментальным данным.

"Мы использовали эти результаты для построения модели, которая отслеживала, как протон переносится из одной имидазольной единицы в другую", - говорит Хори. "Наша рассчитанная поверхность потенциальной энергии предоставила геометрические и энергетические данные, которые согласуются с прыжками протонов".

Топливные элементы используются сегодня для питания широкого спектра гражданской инфраструктуры и технологий и, как правило, производят мало выбросов. Повышение полезности топливных элементов в более разнообразных областях применения, частично достигнутое за счет понимания того, как они работают, поможет свести к минимуму потери энергии в ближайшие годы.