Proton conducting and hydrophilic coordination polymers - synthesis, spectroscopic investigation and incorporation in fuel cell membranes
| Konsortium: | Prof. Dr. Norbert Stock, Kiel Christian-Albrechts Universität zu Kiel Institut für Anorganische Chemie |
| Prof. Dr. Michael Tiemann, Paderborn Universität Paderborn Institut für Anorganische Chemie | |
| Prof. Dr. Michael Wark, Oldenburg Carl von Ossietzky Universität Oldenburg Institut für Technische Chemie | |
| Projekt: | Proton conducting and hydrophilic coordination polymers - synthesis, spectroscopic investigation and incorporation in fuel cell membranes |
| Zusammenfassung: | Ziel des vorliegenden Projekts ist die Herstellung, das fundamentale Verständnis und die Anwendung protonenleitender Koordinationspolymeren (PCCP) in Brennstoffzellmembranen unterschiedlicher Zusammensetzung sowie die in-situ-Überwachung von Feuchte und Protonenleitung im Anwendungsbetrieb. Besonderes Augenmerk wird auf dem Einbau von -PO3H2- oder -PO3H--Gruppen sowie weiterer protonenübertragender Gruppen liegen, um Materialien mit hoher und stabiler Protonenleitfähigkeit zu erzeugen. Zum verbesserten Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie der Rolle von Wassermolekülen und der Partikelgröße der CPs sollen detaillierte Studien zur Protonenleitung und Feuchte durchgeführt werden. Kompositmembranen aus Polymeren und PCCPs unterschiedlicher Partikelgröße werden hergestellt und hinsichtlich ihrer Eignung als Zellmembranen getestet. Da sich die relative Feuchte nachhaltig auf die Protonenleitung auswirkt, soll ein Feuchtesensor für den in-situ-Einsatz in der Membran unter Last hergestellt werden. Für das Projekt haben wir die Arbeitsgruppen von Norbert Stock (Kiel), Michael Wark (Oldenburg) und Michael Tiemann (Paderborn) zusammengebracht, um die komplementären Expertisen hinsichtlich Synthese/Charakterisierung von Koordinationspolymeren, protonenleitender Membranen und Sensorik synergistisch zu bündeln. Die PCCPs werden in der Stock-Gruppe synthetisiert. Für ausgewählte Systeme sollen dabei Strategien zur Kontrolle der Partikelgröße erarbeitet werden. Die Tiemann-Gruppe wird temperaturaufgelöste impedanzspektroskopische Untersuchungen durchführen, um die Protonenleitung mechanistisch zu untersuchen, und außerdem ein Sensorelement auf der Basis eines elektrischen Randfeldes (fringing electric field, FEF) entwickeln. Dieses Sensorelement wird in-situ-Impedanzmessungen an den Kompositmembranen ermöglichen, welche in der Wark-Gruppe hergestellt und umfangreich getestet werden. Für die Membranen sollen verschiedene Polymere mit Sulfonat- und Phosphonat-Gruppen sowie Säure-/Base-Polymermischungen verwendet werden. Außerdem sollen Membranen hergestellt und untersucht werden, die aus abwechselnden PCCP- und Polymerschichten bestehen. In enger Zusammenarbeit mit dem EWE-Forschungszentrum NEXT ENERGY sollen schließlich Membran-Elektroden-Anordnungen für einen Messstand unter realistischen Brennstoffzellen-Bedingungen getestet werden. |
| Publikationen: | A. Weiss, N. Reimer, N. Stock, M. Tiemann, T. Wagner "Screening of Mixed-linker CAU-10 MOF Materials for Humidity Sensing by Impedance Spectroscopy" Microporous Mesoporous Mater. 2016, 220, 39-43 DOI: 10.1016/j.micromeso.2015.08.020 |
| A. Weiss, N. Reimer, N. Stock, M. Tiemann, T. Wagner "Surface-modified CAU-10 MOF Materials as Humidity Sensors: Impedance Spectroscopic Study on Water Uptake" J. Phys. Chem. 2015, 17, 21634-21642 DOI: 10.1039/C5CP01988E | |
| M. Feyand, C.F. Seidler, C. Deiter, A. Rothkirch, A. Lieb, M. Wark, N. Stock "High-Throughput Microwave-Assisted Discovery of New Metal Phosphonates" Dalton Trans. 2013, 42, 8761-8770 DOI: 10.1039/C3DT50413A | |
| N. Reimer, B. Bueken, S. Leubner, C.F. Seidler, M. Wark, D. De Vos, N. Stock "Three Series of Sulfo-Functionalized Mixed-Linker CAU-10 Analogues: Sorption Properties, Proton Conductivity, and Catalytic Activity" Chem. Eur. J. 2015, 21, 12517–12524 DOI: 10.1002/chem.201501502 | |
| M. Sharifi, M. Wark, D. Freude, J. Haase "Highly Proton Conducting Sulfonic Acid Functionalized Mesoporous Materials Studied by Impedance Spectroscopy, MAS NMR spectroscopy and MAS PFG NMR Diffusometry" Microporous Mesoporous Mater. 2012, 154, 80-89 DOI: 10.1016/j.micromeso.2012.02.019 |