Utilizzando KFM e CS-AFM con il Controllo Ambientale di ricerca sulle celle a combustibile

Shijie da Wu e Da-Ming Zhu

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Introduzione

Questo articolo illustra l'apparato sperimentale per la microscopia Kelvin forza (KFM) e corrente-sensing microscopia a forza atomica (AFM-CS), l'imaging con umidità controllata utilizzando un Agilent 5500 AFM sistema. I risultati dello studio di una membrana a scambio protonico usando KFM e CS-AFM con umidità controllata sono presentati anche qui. Questi risultati dimostrano che KFM e CS-AFM sono potenti strumenti per studiare le proprietà di superficie e la conduttività ionica delle membrane a scambio protonico utilizzati nella tecnologia delle celle a combustibile.

Fuel Cell Nozioni di base

Le celle a combustibile sono tra le tecnologie chiave in grado di offrire energia pulita con efficienze di conversione più elevati. Le celle a combustibile sono utilizzati per molte applicazioni di potenza elettrica - da dispositivi portatili per automobili e navi. Tuttavia, due grandi sfide rimangono sulla via della piena commercializzazione della tecnologia delle celle a combustibile: (1) per ridurre i costi in modo che diventi economicamente competitive rispetto alle tecnologie esistenti e di potenza (2) per aumentare la durata e la durata dei sistemi di celle a combustibile. Di conseguenza, i ricercatori hanno concentrato i loro sforzi sullo sviluppo e caratterizzazione di materiali che potrebbe contribuire a soddisfare queste esigenze.

Un solido-membrana delle cellule a combustibile è il sistema più promettente per i mezzi leggeri e dispositivi elettronici portatili. In questo sistema, un Proton Exchange Membrane (PEM), noto anche come elettrolita una membrana polimerica, è inserito tra due elettrodi. Il PEM consente solo ⁺ H per passare per completare il circuito per il flusso di corrente. Pertanto, le proprietà meccaniche e termiche così come la conduttività ionica del PEM tutti svolgono un ruolo fondamentale nello svolgimento della cella a combustibile. Un PEM ampiamente utilizzato nelle celle a combustibile a membrana solida è Nafion, un polimero perfluorurati che combina un idrofobico Teflon-come spina dorsale con i gruppi idrofili lato ionico.

Struttura del Nafion

Anche se la struttura del Nafion ha attirato l'attenzione di molti ricercatori, un quadro dettagliato è difficile da ottenere perché cambia il rapporto dei due componenti. Un recente modello basato su piccole angolo di raggi X esperimenti di scattering suggerisce che la membrana Nafion è costituito da "canali d'acqua", formata dai gruppi idrofili solfonico supportato dal backbone polimero idrofobo e cristalliti Nafion [2]. La struttura chimica della membrana Nafion e il "canale d'acqua" modello sono illustrati nella Figura 1.

Figura 1. Struttura chimica e "canale d'acqua" modello di membrana Nafion. Immagini adattato da pubblico dominio con autorizzazione da parte dell'autore [1].

I "canali dell'acqua" forniscono passa per cationi di piccole dimensioni come i protoni, mentre l'arresto anioni ed elettroni. Il diametro di questi canali d'acqua dipende dal contenuto di acqua nella membrana, con una media di 2 o 3 nm a 20% RH e aumentando l'umidità relativa equilibrata. Come risultato, la conduttività ionica del Nafion dipende dal livello di idratazione della membrana, e il controllo di una corretta idratazione del PEM di una cella a combustibile è diventato una sfida nella progettazione ingegneristica. Quindi, è estremamente importante per comprendere la dipendenza delle proprietà di trasporto ionico di una PEM sul suo stato di idratazione.

Microscopia a scansione di sonda (SPM) è stata applicata per studiare la morfologia, le strutture di dominio ionica e la conduttività ionica delle membrane a scambio protonico [3, 4]. Come suggerisce il modello teorico [2], la superficie Nafion è costituito da regioni idrofobiche (corrispondente alla struttura centrale del polimero) e regioni idrofile (corrispondente alla auto-organizzati gruppi versante ionico).