Protongeleidingmaterialen

Protongeleidingmaterialen zijn materialen die bij bepaalde omstandigheden proten (H+) kunnen geleiden. Ze worden vooral gebruikt als elektrolyt in elektrochemische apparaten zoals brandstofcellen en waterstoftoevoegende elektrolyse-systemen, met het doel selectieve protontransport te bieden en elektronenstromen te blokkeren.

De geleiding vindt via verschillende mechanismen plaats. In polymeremembranen zoals Nafion verloopt protontransport door een combinatie van vehikeltransport (protonen die gebonden zijn aan water/oksionen) en Grotthuss-hoppen langs gehydrateerde sulfonische groepen. In vaste-in-geo-oxiden ontstaan protonen vaak door hydratie of door aliovalente doping, waardoor protonende defecten ontstaan; protonen hopping hierbij tussen lattice-oxygenen versnelt onderwith wateropname. Voor perovskiet-oxideprotonen zoals BaZrO3 en BaCeO3, zehnyige dopingsystemen (bijv. Y, Sc) verhogen de protonenconcentratie en bevorderen transport bij hogere temperaturen.

Klassieke groepen protongeleidingmaterialen omvatten polymerische elektrolyten zoals Nafion en andere sulfoonische membranen, en anorganische protongeleiders zoals gehydrateerde fosfaten (bijv. CsH2PO4) en gedopte cerium- of zirkonaten. Daarnaast worden recente ontwikkelingen onderzocht in solidezuurelektrolyten en metal-organic frameworks als potentiële protongeleiders, met als doel hogere conductiviteit, betere stabiliteit en betere procesbaarheid.

Belangrijke eigenschappen zijn onder meer hoge protonconductiviteit bij operationele temperaturen, chemische en thermische stabiliteit, mechanische integriteit en compatibiliteit met elektroden en watermanagement. Uitdagingen omvatten waterhuishouding, grain-boundary weerstand bij keramische materialen, chemische stabiliteit onder oxidatieve brandstofcelomstandigheden en schaalbaarheid van productie.