Protonenleitung in imidazolhaltigen Materialien als Modellsysteme für wasserfreie Brennstoffzellenmembranen

Es wird ein neues Konzept für ein protonenleitendes Polymer vorgestellt, das ohne eine zweite, flüssige Phase auskommt. Es beruht darauf, basische Gruppen (Imidazol) über flexible Spacer kovalent an ein Polymerrückgrat zu binden und durch Dotierung mit einer geringen Menge Säure Ladungsträger (Protonen) in dieses System einzubringen.Um die für die Leitfähigkeit und ihren Mechanismus verantwortlichen Größen zu identifizieren, wurde ein Satz von niedermolekularen Modellverbindungen definierter Struktur und hoher Reinheit synthetisiert und im reinen Zustand sowie nach Dotierung mit geringen Mengen Säure umfassend charakterisiert. Untersucht wurden die thermischen Eigenschaften, die Leitfähigkeit, die Diffusion der jeweiligen Modellverbindung sowie ggf. der zugesetzten Säure, das Protonierungsgleichgewicht und die dielektrischen Eigenschaften. Insbesondere wurden durch den Vergleich von Leitfähigkeits- und Diffusionsdaten unter Anwendung der Nernst-Einstein-Beziehung Rückschlüsse auf den Leitmechanismus gezogen.Es wurden Leitfähigkeiten von bis zu 6.5E-3 S/cm bei 120°C erreicht. Der Anteil der Strukturdiffusion (vergleichbar mit dem Grotthus-Mechanismus in Wasser) an der protonischen Leitfähigkeit betrug bis zu über 90%. Als entscheidende Faktoren für die Leitfähigkeit wurden die Glastemperatur und, mit geringerer Priorität, der Imidazolgehalt des Materials identifiziert. Die Temperaturabhängigkeit aller untersuchten Transportgrößen ließ sich durch die Vogel-Tamman-Fulcher-Gleichung exzellent beschreiben.Die vorgestellten Daten bilden die Grundlage für den Entwurf eines entsprechenden Polymers.

A new concept of proton-conducting polymers, which function without a second, liquid phase is introduced. It is based on basic groups (imidazole) which are covalently tethered to a polymer backbone using flexible spacers. By doping with traces of acid, mobile protons are introduced into the polymer.In order to identify the parameters governing conductivity and its mechanism, a set of low molecular weight model compounds of a defined structure and high purity were synthesized. The materials were characterized extensively in the pure as well as in the doped state. The thermal properties, conductivity, and self-diffusion of the model compound and of the acid-doped material, the protonation constant, and the dielectric properties were investigated. The comparison of the conductivity data with the values calculated from the diffusion coefficients using the Nernst-Einstein relation allowed conclusions to be drawn regarding the conduction mechanism.Conductivities of up to 6.5E-3 S/cm at 120°C were achieved. Proton conduction was found to be due to structural diffusion (comparable to the Grotthus mechanism found for water) to a ratio as high as 90%. Conductivity was found to be governed essentially by the glass transition temperature and, to a lower extent, by the imidazole content of the material. Transport properties could be excellently described by using the Vogel-Tamman-Fulcher equation.The data presented here form the basis for the design of a corresponding polymer.