Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarında (PNNL) yapılan bir araştırmaya göre, alternatif bir yakıt hücresinin membranları boyunca hareket eden protonlar, su dolu kanallar içinde ilerlerken sülfür ve oksijen atomlarının oluşturduğu moleküller ile etkileşime girmektedir. Bu kanallar, her biri aynı yapıya sahip kanca şeklindeki moleküller ile çevrelenmiştir. Her kanalın yapısında, suyu tutan bir kabuk oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu kanalların içerisinde bulunan ve sülfonat grupları olarak adlandırılan bu küçük kümeler, kanalın iç kısmına doğru sarkarken bu kanalın ortasında ince bir su kanalı bulunmaktadır.
Yapılan çalışmalarda başındaki malzeme bilimcisi Dr. Ram Devanathan, protonların, sülfonat gruplarının bulunmadığı su kanalı merkezinden hızla geçeceğinin yaygın bir inanış olduğunu belirtmiştir. Ancak bulgular, protonların bu merkezden geçmek yerine daha çok sülfonat grupları etrafında hareket ettiğini ortaya koymaktadır.
Protonların membranlar aracılığıyla nasıl taşındığını anlamak yani membranın çalışma prensibini çözümlemek, yakıt hücrelerinin geliştirilmesinde kritik bir sorunu çözebilir. Taşınabilir enerji sistemleri ve ulaşımda devrim yaratma potansiyeline sahip olan yakıt hücreleri, aynı zamanda uzak bölgelere de elektrik sağlamada umut verici enerji dönüşüm cihazları olarak görülmektedir. Ancak bu teknolojinin maliyeti yüksektir. Eğer daha yüksek sıcaklıklara dayanabilen ve protonların etkin bir şekilde iletilmesini sağlayan bir membran geliştirilebilir ise, yakıt hücrelerinde kullanılan platin yerini daha ucuz alternatiflere bırakabilir, bu da üretim maliyetlerini önemli ölçüde düşürebilir.
Çalışmaya katılan kimyager ve Amerikan Bilimini Geliştirme Derneği Üyesi Dr. Dupuis; ister ayırma ister su arıtma işlemleri için kullanılsın, membranlardaki seçici taşınımın önemine vurgu yapmıştır. Bu bağlamda ekip, tasarım değişikliklerinin proton taşınımı üzerindeki etkisini araştırmaktadır.
Ekip, kısa yan zincirli perflorosülfonik asit membranına ait binlerce molekülü bilgisayar simülasyonlarıyla inceleyerek, membranı oluşturan moleküllerin özelliklerinde yapılacak olan değişikliklerin sonuçlarını değerlendirmeye başlamıştır. Bu simülasyonlar, sülfonat grubunu su kanalına sarkıtan yan zincirin uzunluğunu değiştirdikleri simülasyonlar gerçekleştirdi.
Yaygın görüş, yan zincirlerin kısalmasının merkezi su kanalını genişletebileceği ve protonların daha hızlı hareket etmesi için daha fazla alan sağlayacağı yönündeydi. Ancak ekip, zincirin uzunluğunun önemli olmadığını kanıtladı. Zincir uzun olduğunda katlanıyor ve kanalı engellemiyor; zincir kısa olduğunda ise yoldan çekiliyor ve bu da kanalı engellemiyor.
Simülasyonlar, Çevresel Moleküler Bilimler Laboratuvarı ve Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Hesaplama Merkezindeki süper bilgisayarlarda yürütülmüştür. Deneylerde birçok karmaşık faktör vardır, diyen Dupuis ayrıca şunları da eklemektedir; Simülasyonların güzel yanı, sadece bir faktörü izole edip diğer her şeyi sabit tutarak, örneğin yan zincir uzunluğunu değiştirebilmenizdir.
Elde edilen sonuçlar, perflorosülfonik asit membranı üzerinde toplanan deneysel verilerle iyi bir uyum göstermiştir.
Günümüzde Dr. Devanathan ve Dr. Dupuis, protonların sülfonat grupları arasında sıçramasını etkileyen faktörleri belirlemek için detaylı çalışmalar yürütmektedir. Ayrıca, suyun yokluğunda protonların nasıl etkili bir şekilde taşınabileceğini araştırmaktadırlar.
Kaynaklar
- https://phys.org/news/2012-08-path-proton-scenic-route-alternative.html
- R Devanathan and M Dupuis. 2012. “Insight from Molecular Modelling: Does the Polymer Side Chain Length Matter for Transport Properties of Perfluorosulfonic Acid Membranes?” Physical Chemistry Chemical Physics 14:11281-11295. DOI:10.1039/C2CP24132C.