Wasserfreie, polymere Protonenleiter für Brennstoffzellen durch Immobilisierung von Imidazol

Es werden neuartige, polymere Protonenleiter vorgestellt die nach dem 'Konzept des polymergebunden Protonensolvens' realisiert wurden. Sie zeigen protonische Leitfähigkeit als intrinsische Eigenschaft, sodass keine zweite, flüssige Phase zur Protonenleitung nötig ist. Verwirklicht wurde das Konzept anhand von kammartigen Siloxanoligomeren und -polymeren, wobei Imidazol als Protonensolvens durch flexible Spacer kovalent an das Rückgrat gebunden ist. Durch Pfropfung mit imidazoltragenden Spacereinheiten wurden ferner Kieselgelnanopartikel oberflächenmodifiziert. Um die Auswirkungen der Immobilisierung von Imidazol auf die Leitfähigkeit zu untersuchen, wurden neben unterschiedlichen Molekulargewichten, die Verbindungen auch jeweils mit verschiedenen Spacerlängen synthetisiert. Die Materialien wurden umfassend charakterisiert und auf ihr thermisches Verhalten, Stabilität, Leitfähigkeit, Diffusion und dielektrisches Verhalten sowie auch nach Dotierung mit Säure untersucht. Thermisch stabil sind die Materialien bis ca. 200°C. Die Leitfähigkeiten betragen bis zu 1,5E-3 S/cm bei 160°C, welche aufgrund der Immobilisierung des Imidazols ausschließlich auf Strukturdiffusion zurückzuführen sind. Die Strukturdiffusion ist vergleichbar mit dem Grotthus-Mechanismus in Wasser und wird durch die lokale Mobilität der Imidazolmoleküle, d.h. durch die Glasübergangstemperatur des Systems bestimmt. Entsprechend wird das für Glasbildner typische Vogel-Tamman-Fulcher-Verhalten für alle untersuchten Transportprozesse gefunden. Die mit abnehmender Glasübergangstemperatur abnehmende mechanische Stabilität der Materialien kann, wie gezeigt ist, durch Compoundierung mit Kieselgelnanopartikeln entscheidend verbessert werden, was eine kostengünstige und aussichtsreiche Möglichkeit zur Herstellung von Membranen für Brennstoffzellen darstellt.

A new kind of polymeric proton conductor according to the 'concept of polymer bound proton solvent' is introduced. It shows proton conductivity as an intrinsic property and thus does not need a second, liquid phase for proton transport.The concept was realised on the basis of comb-like siloxane oligomers and polymers whereas imidazole as proton solvent is linked covalently by flexible spacers to the polymer backbone. Furthermore, silica nanoparticles were modified by grafting imidazole via flexible spacers to their surface.To study the influence of imidazole immobilisation on the proton conductivity, oligomers and polymers were synthesised with different spacer lengths besides different molecular weights. The materials were extensively characterised and analysed with respect to their thermal transitions, stability, conductivity, diffusion and dielectric behaviour as pure materials as well as after doping with acid. The materials are thermally stable up to 200°C. The conductivity amounts up to 1,5E-3 S/cm at 160°C which relies exclusively on structure-diffusion due to the immobilisation of imidazole as proton solvent. The structure-diffusion is comparable to the Grotthus-mechanism and is dominated by the local mobility of the imidazole molecules. Thus, the conduction mechanism is related to the glass transition temperature of the system. According to amorphous materials the typical Vogel-Tamman-Fulcher-behaviour was found for all transport-processes analysed. It is shown, that the lack of mechanical stability in the materials with low glass transition temperatures can be compensated by compounding them with the silica nanoparticles. The blends from proton conducting oligomers/polymers resp. with surface modified nanoparticles appear to be promising for membranes in fuel cell applications.