Superfunctional Ionic Liquids for Sustainable and Clean Energy
- Reference number
- FFL15-0092
- Start and end dates
- 170101-211231
- Amount granted
- 11 916 410 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
My main objective is to develop new proton exchange membrane (PEM) materials based on silica and protic ionic liquids (PILs). I will follow two routes: sol-gel derived silica gels using long-chained PILs; and silica gels formed by adding suitable PILs to nano-porous silica micro-particles. This project is unique in trying to combine in one single molecular structure (of the ionic liquid) selective proton transport and nano-structuration. This is why we refer to these PILs as superfunctional! To succeed with this goal, my strategy is to combine different disciplines and include both applied and fundamental research aspects, which are complementarily crucial to transform an abstract idea to a real device. The team will thus comprise one PhD student devoted to inorganic synthesis (chemist), one PhD devoted to the mechanism of proton transport (physicist), one Postdoc devoted to in situ Fuel Cell tests (applied aspect), and a Postdoc devoted to advanced solid-state NMR (fundamental aspect). We will also collaborate with other senior scientists in Sweden and abroad, and with the company AkzoNobel PPC. Several different experimental methods will be used, with focus on vibrational and NMR spectroscopy. We expect to develop PEMs that can be safely used in Fuel Cells operating at temperatures above 120 °C. Such an improvement from the state of the art performance will facilitate the commercialization of the PEMFC and contribute to the creation of a sustainable energy system.
Popular science description
Transport- och energiförsörjningen står för 39% av det globala växthusgasutsläppet, som till 57% består av CO2. Samtidigt som energibehovet ökar, minskar de tillgängliga energikällorna, särskilt fossila bränslen. Visionen "Ett hållbart samhälle" har lett till politiska satsningar med uppmärksamheten riktad mot förnybara energisystem. Parallellt med förnybara lösningar som kan baseras på sol-, vind-, eller vågkraft, måste man också utveckla rena former av energiförsörjning. Bränslecellen är ett exempel på ren teknologi, som kan omvandla kemisk energi till elektricitet då vätgas (H2) och syre (O2) reagerar för att producera endast vatten (H2O). Ingen form av utsläpp är alltså kopplat till denna teknologi. Trots att bränslecellen kan tillämpas i både transportsektorn (för att driva bilar, cyklar, lyftmaskiner etc) och som bärbar laddare (av till exempel mobiltelefoner) har den ännu inte nått den stora marknaden. En anledning till denna begränsade framgång är den kostsamma produktionen av bränslecellens komponenter. Katalysatorn som idag används för att splittra H2O till protoner (H+) är ren platinum (Pt), en sällsynt och dyr metall. Membranet som idag används för att leda protonerna är en perfluorinerad plymer (Nafion), som också kräver kostsamma processer för att framställas. Det behövs alltså billiga och smarta lösningar på nya material för att lyfta bränslecellens potential så att den kan nå en bredare marknad och komma till nytta i omställningen till ett hållbart energisystem. Min strategi är att hitta alternativa material till Nafion. I synnerhet vill jag skapa och använda membraner av silika, som kan utvecklas till en porös och samtidigt extremt stark bärande struktur. Silika har den kemiska formeln SiO2, och Si är ett av de mest tillgängliga ämnen på vår jord. Nanoporös silika vill jag sedan fylla med en protisk jonvätska, vars molekylär struktur skall designas för en selektiv protonledning. Kombinationen nanoporös silika och protisk jonvätska är unik, varför projektet kommer att vara utmanande. Samtidigt kommer våra resultat att revolutionera både synen på silika som funktionell material för energitillämpningar, och prestanda för bränslecellen vid temperaturer högre än 120 °C. För att lyckas med detta projekt kommer jag att samarbeta tätt med AkzoNobel, rekrytera personal med kunskaper i både kemi och fysik, samt använda en variation of ex-situ och in-situ experimentella metoder, med fokus på vibration- och NMR spektroskopi.