À medida que o mundo está se movendo em direção a fontes de energia mais ecológicas e sustentáveis, as células de combustível estão recebendo muita atenção. A principal vantagem das células a combustível é que elas usam hidrogênio, um combustível limpo, e produzem apenas água como subproduto enquanto geram eletricidade. Essa nova e limpa fonte de eletricidade poderia substituir as baterias convencionais de íons de lítio, que atualmente alimentam todos os dispositivos eletrônicos modernos.
A maioria das células de combustível usa uma membrana de Nafion - uma membrana iônica à base de polímero sintético - que serve como um eletrólito sólido condutor de prótons à base de água. O uso da água como meio de condução de prótons, no entanto, cria uma grande desvantagem para a célula a combustível, ou seja, a incapacidade de funcionar adequadamente em temperaturas acima de 100°C, a temperatura em que a água começa a ferver, levando a uma queda na condutividade de prótons. . Portanto, há uma necessidade de novos condutores de prótons que possam transferir prótons de forma eficiente mesmo em temperaturas tão altas.

Em uma descoberta recente, uma equipe de pesquisadores do Japão, liderada pelo Prof. Makoto Tadokoro da Tokyo University of Science (TUS), relatou um novo condutor de prótons de alta temperatura baseado em complexo de metal imidazol-imidazolato que mostra condutividade de prótons eficiente mesmo a 147° C. A equipe de pesquisa incluiu Dr. Fumiya Kobayashi da TUS, Dr. Tomoyuki Akutagawa e Dr. Norihisa Hoshino da Universidade de Tohoku, Dr. Hajime Kamebuchi da Universidade de Nihon, Dr. Motohiro Mizuno da Universidade de Kanazawa e Dr. Jun Miyazaki da Universidade Tokyo Denki.

"O imidazol, um composto orgânico contendo nitrogênio, ganhou popularidade como um condutor de prótons alternativo por sua capacidade de operar mesmo sem água. No entanto, tem uma taxa de transferência de prótons mais baixa do que o Nafion convencionalmente usado e derrete a 120°C. questões, introduzimos seis porções de imidazol em um íon de rutênio (III) para projetar um novo complexo de metal que opera como um transportador multi-próton e tem estabilidade de alta temperatura", explica o Prof. Tadokoro quando questionado sobre a lógica por trás de seu estudo, que foi publicado em Chemistry—A European Journal e destaque na capa da revista.

A equipe projetou uma nova molécula onde três imidazol (HIm) e três imidazolato (Im ^- ) foram anexados a um íon central de rutênio (III) (Ru ³⁺ ). O cristal molecular único resultante era altamente simétrico e se assemelhava a uma forma de "explosão estelar". Ao investigar a condutividade de prótons desse complexo metálico do tipo starburst, a equipe descobriu que cada um dos seis grupos de imidazol ligados ao Ru ³⁺ íon atua como um transmissor de prótons. Isso tornou a molécula 6 vezes mais potente do que as moléculas individuais de HIm, que só podiam transportar um próton de cada vez.

A equipe também explorou o mecanismo subjacente à capacidade de condução de prótons de alta temperatura das moléculas de explosão estelar. Eles descobriram que a uma temperatura de mais de -70°C, a condutividade do próton resultou de rotações localizadas individuais do HIm e Im ^- grupos e prótons saltam para outros Ru(III) complexos no cristal através de ligações de hidrogênio. Em temperaturas acima de 147°C, no entanto, a condutividade do próton surgiu da rotação da molécula inteira, que também foi responsável pela condutividade do próton superior em altas temperaturas. Essa rotação, confirmada pela equipe usando uma técnica chamada "solid-state ² Espectroscopia de H-NMR", resultou em uma taxa de condutividade três ordens de magnitude maior (σ =3,08 × 10 ^-5 S/cm) do que para moléculas HIm individuais (σ =10 ^-8 S/cm).

A equipe acredita que seu estudo pode atuar como um novo princípio de condução para eletrólitos de estado sólido condutores de prótons. Os insights de seu novo design molecular podem ser usados ​​para desenvolver novos condutores de prótons de alta temperatura, bem como melhorar a funcionalidade dos existentes. "As células de combustível são a chave para um amanhã mais limpo e verde. Nosso estudo oferece um roteiro para melhorar o desempenho desses recursos de energia neutra em carbono em altas temperaturas, projetando e implementando condutores de prótons moleculares que podem transferir prótons de forma eficiente a essas temperaturas", conclui Prof. Tadokoro. + Explorar mais

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