Freedom of movement: researchers track proton mobility to improve conductivity in new material / Libertà di movimento: i ricercatori monitorano la mobilità protonica per migliorare la conducibilità in nuovo materiale. 

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

Scanning electron microscope image of the seed inside a MOF crystal

More efficient fuel cells for transportation could be developed thanks to efforts to investigate the movement of charge through a new type of material.

Researchers at Manchester and Nottingham Universities have mapped the structure of the material, known as a metal-organic framework, or MOF, and how charge flows through it.

The performance of polymer electrolyte membrane fuel cells, used in transportation, depends on the efficiency of the electrolyte material at their centre, which controls the flow of charge between the positive and negative electrodes.

So researchers are attempting to improve the efficiency of the devices by developing smart electrolyte membranes based on materials that facilitate the charge transfer more smoothly.

MOFs are hybrid materials made up of metals connected by organic ligands. They have a number of advantages that make them potential candidates for use as smart electrolyte materials, according to Dr Sihai Yang, a group leader from Manchester University.

Firstly, the organic ligands can be modified by adding groups of atoms – known as functional groups – such as those containing hydrogen donors, to improve the conductivity of the material, he said.

Secondly, since the materials have a porous structure, different small molecules that act as proton carriers can also be loaded into their pores, to further improve their conductivity.

But perhaps most importantly, the crystalline nature of the materials also makes it possible for researchers to study the structure and conductivity of MOFs in precise detail, to gain a better understanding of how to improve their efficiency even further.

To this end, the research team used the powerful x-rays at Diamond Light Source, the UK’s synchrotron science facility, to study the atomic structure and workings of one type of MOF material, known as MFM-500(Ni).

They then used neutrons at the Science and Technology Facilities Council’s ISIS Neutron and Muon Source to map the movement of protons through the material.

They found that, contrary to previous predictions that protons moved through the material by jumping between different sites, they in fact move freely within spheres.

Within the structure of the material are a number of these spheres overlapping each other, which allows the protons to simply hop between them, said Yang. “This gives them a three-dimensional continuous diffusion pathway,” he said.

The researchers now hope to optimise the radius of these spheres, he said. “Then at a later date we hope to optimise the structure [of the MOF] to achieve a better packing of the spheres, and therefore an overall improved proton conductivity,” he said.

ITALIANO

celle a combustibile più efficienti per il trasporto potrebbero essere sviluppate grazie a sforzi per valutare il movimento della carica attraverso un nuovo tipo di materiale.

I ricercatori della Manchester e Nottingham Università hanno mappato la struttura del materiale, conosciuto come un materiale metallo-organico, o MOF, per comprendere come la carica scorre attraverso di essa.

Le prestazioni delle celle a combustibile a membrana ad elettrolita polimerico, utilizzato nel trasporto, dipendono dall'efficienza del materiale elettrolitico al loro centro, che controlla il flusso di carica tra gli elettrodi positivi e negativi.

Così i ricercatori stanno tentando di migliorare l'efficienza dei dispositivi sviluppando membrane elettrolitiche intelligenti basati su materiali che facilitano il trasferimento di carica più agevolmente.

MOF sono materiali ibridi a base di metalli collegati da leganti organici. Hanno una serie di vantaggi che li rendono potenziali candidati per l'uso come materiali elettroliti intelligenti, secondo il Dr Sihai Yang, un leader del gruppo di Manchester University.

In primo luogo, i leganti organici possono essere modificati aggiungendo gruppi di atomi - noti come gruppi funzionali - come quelli contenenti i donatori di idrogeno, per migliorare la conduttività del materiale, ha detto.

In secondo luogo, poiché i materiali hanno una struttura porosa, diverse piccole molecole che agiscono come vettori protonici possono essere caricati nei loro pori, per migliorare ulteriormente la loro conducibilità.

Ma forse più importante, la natura cristallina dei materiali rende anche possibile per ricercatori di studiare la struttura e la conducibilità di MOF nei minimi dettagli, per ottenere una migliore comprensione di come migliorare la loro efficienza ulteriormente.

A tal fine, il team di ricerca ha utilizzato la potente sorgente luminosa a raggi X a Diamond, nell'impianto del sincrotrone del Regno Unito, per studiare la struttura atomica e il funzionamento di un tipo di materiale MOF, noto come MFM-500 (Ni).

Hanno quindi utilizzato neutroni presso ISIS Neutron del Consiglio Science and Technology Facilities e Muon Source per mappare il movimento di protoni attraverso il materiale.

Essi hanno scoperto che, contrariamente alle previsioni precedenti, cioè che i protoni si muovevano attraverso il materiale saltando tra i siti diversi, essi hanno in realtà si muovono liberamente all'interno di sfere.

All'interno della struttura del materiale ci sono un certo numero di queste sfere sovrapposte tra loro, che permette ai protoni di saltare semplicemente tra loro, detto Yang. "Questo dà loro un percorso di diffusione continua tridimensionale", ha detto.

I ricercatori ora sperano di ottimizzare il raggio di queste sfere, ha detto. "Poi, in un secondo momento speriamo di ottimizzare la struttura [del MOF] per raggiungere un migliore imballaggio delle sfere, e quindi una conduttività complessiva protonica migliore", ha detto.

Da:

http://www.theengineer.co.uk/freedom-of-movement-researchers-track-proton-mobility-to-improve-conductivity-in-new-material/?cmpid=tenews_2314000