Polarity governed selective amplification of through plane proton shuttling in proton exchange membrane fuel cells

文献情報

出版日 2017-02-20
DOI 10.1039/C6CP07724B
インパクトファクター 3.676
著者

Manu Gautam, Mruthyunjayachari Chattanahalli Devendrachari, Ravikumar Thimmappa, Alagar Raja Kottaichamy, Shahid Pottachola Shafi, Pramod Gaikwad, Harish Makri Nimbegondi Kotresh, Musthafa Ottakam Thotiyl


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要旨

Graphene oxide (GO) anisotropically conducts protons with directional dominance of in plane ionic transport (σ IP) over the through plane (σ TP). In a typical H2–O2 fuel cell, since the proton conduction occurs through the plane during its generation at the fuel electrode, it is indeed inevitable to selectively accelerate GO's σ TP for advancement towards a potential fuel cell membrane. We successfully achieved ∼7 times selective amplification of GO's σ TP by tuning the polarity of the dopant molecule in its nanoporous matrix. The coexistence of strongly non-polar and polar domains in the dopant demonstrated a synergistic effect towards σ TP with the former decreasing the number of water molecules coordinated to protons by ∼3 times, diminishing the effects of electroosmotic drag exerted on ionic movements, and the latter selectively accelerating σ TP across the catalytic layers by bridging the individual GO planes via extensive host guest H-bonding interactions. When they are decoupled, the dopant with mainly non-polar or polar features only marginally enhances the σ TP, revealing that polarity factors contribute to fuel cell relevant transport properties of GO membranes only when they coexist. Fuel cell polarization and kinetic analyses revealed that these multitask dopants increased the fuel cell performance metrics of the power and current densities by ∼3 times compared to the pure GO membranes, suggesting that the functional group factors of the dopants are of utmost importance in GO-based proton exchange membrane fuel cells.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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