來自紐約大學和斯圖加特馬克斯普朗克研究所的研究人員在一項自然化學研究中揭示了質(zhì)子如何在磷酸中移動，該研究揭示了有希望的燃料電池電解質(zhì)的運作方式。
磷酸燃料電池是第一種商業(yè)上使用的現(xiàn)代燃料電池類型，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可用作固定和汽車動力源。它們作為電力和熱力發(fā)電機的高效率使其成為進一步發(fā)展的有吸引力的目標。在電池中，磷酸作為介質(zhì)(或“電解質(zhì)”)起作用，其傳輸在反應中產(chǎn)生的質(zhì)子，該質(zhì)子使燃料分解穿過電池。實際上，磷酸具有任何已知物質(zhì)的最高質(zhì)子傳導性，但是它使質(zhì)子導體如此良好地工作仍然是個謎。
跨越燃料電池的高效質(zhì)子傳輸只是在該技術(shù)可大規(guī)模應用之前必須解決的幾個技術(shù)挑戰(zhàn)之一。該問題的關(guān)鍵是識別合適的電解質(zhì)材料。通常使用水合聚合物，但這些必須在低于水的沸點的溫度下操作，這限制了它們的效用。相反，磷酸燃料電池和其他磷酸鹽基電池可以在相當高的溫度下操作。
化學家們已經(jīng)尋求對質(zhì)子傳導現(xiàn)象的分子水平理解已有200多年的歷史。最早的研究涉及水，可以追溯到1806年由德國化學家Theodor von Grotthuss撰寫的具有里程碑意義的論文。在這篇論文中，Grotthuss認為含水酸中的過量質(zhì)子本身不會被運輸，而是它們產(chǎn)生的化學鍵合模式，通過相鄰水分子之間的一系列短質(zhì)子素質(zhì)傳輸。這種啤酒花通過將水分子連接到網(wǎng)絡(luò)中的氫鍵發(fā)生。
人們可以將這個過程比作一個舊時的消防隊，其中一個長隊的每個消防員左手拿著一桶水。線路末端的一名消防員右手拿著一個新的水桶，為了盡可能高效地將水運輸?shù)骄€路上，他將左手的水桶運到鄰居的右手邊。 ?，F(xiàn)在，左手和右手拿著水桶的鄰居將左手的水桶從生產(chǎn)線上的下一個消防員的右側(cè)移開，這個過程繼續(xù)這樣，直到線路另一端的人持有兩桶。總的來說，水是沿著生產(chǎn)線輸送的，但是在每次轉(zhuǎn)移中都不是相同的桶。
當然，過量質(zhì)子在水中的傳輸并不是那么簡單 - 它涉及在每個轉(zhuǎn)移步驟中氫鍵的復雜重排以適應擴散化學鍵合模式。因此，水中的質(zhì)子傳輸似乎是一個逐步的過程。水面臨其他限制 - 它不能作為內(nèi)在質(zhì)子導體起作用，但必須在其中添加質(zhì)子以在任何明顯的質(zhì)子傳輸發(fā)生之前產(chǎn)生酸性水溶液。
Nature Chemistry研究將磷酸中的質(zhì)子傳導與水溶液中過量的質(zhì)子進行了對比。在他們的工作中，研究人員進行了一種“計算機化實驗”或“模擬”，其中不需要事先了解化學過程。唯一的輸入是磷酸(氫，氧和磷)的原子組成?；谶@種輸入，原子的時間運動是根據(jù)物理學的基本定律確定的。通過這種方式，可以允許質(zhì)子傳導機制展開并直接從模擬輸出中發(fā)現(xiàn)。
他們的研究結(jié)果表明，磷酸中的質(zhì)子運動是一個高度合作的過程，一次可能涉及多達五個磷酸分子，作為一種臨時的“質(zhì)子線”或鏈?；菊{(diào)查結(jié)果如下：
•與在水中作用的逐步機制相反，磷酸以更“流線型”的方式轉(zhuǎn)移質(zhì)子，其中質(zhì)子沿著這些臨時線之一以協(xié)同方式移動。•最終，這種電線維持這種質(zhì)子運動變得非常不利。因此，該系統(tǒng)然后試圖通過破壞該臨時線中的一個氫鍵并與其他附近的磷酸分子形成新的線布置來解決這種不利條件。新的導線布置持續(xù)存在，直到它們不再能維持其中的質(zhì)子運動，此時它們斷裂并形成新的導線。這種形成和斷開短線的過程允許穩(wěn)定的質(zhì)子電流和總體高質(zhì)子傳導率。
盡管磷酸在燃料電池應用中具有其優(yōu)勢，但磷酸燃料電池仍然不如其他類型的電池那樣強大，并且作為純電源，效率不高。然而，對基本質(zhì)子傳遞機制的理解可以幫助改善這種細胞的設(shè)計或建議可以用作質(zhì)子載體的其他磷酸鹽基材料。