Lokalisatie en dynamica van water in proton uitwisseling membranen voor fotoelektrochemische cellen

De stijging van de gemiddelde globale temperatuur, de steeds extremere weersomstandigheden, en het meer frequent plaatsvinden van hevige stormen, zijn duidelijke aanwijzingen dat klimaatverandering omwille van de opwarming van de aarde nog steeds veel aandacht nodig heeft. Koolstofdioxide (CO2) is een van de belangrijkste broeikasgassen die bijdragen tot de opwarming van de aarde, en de huidige CO2 concentraties in de atmosfeer blijven stijgen door de toenemende vraag naar energie en het continue verbruik van fossiele brandstoffen. Het streven naar een CO2-neutrale energie-economie is een grote uitdaging waar immense voordelen aan verbonden zijn. Wetenschappers zoeken daarom naar vernuftige, nieuwe methoden om hernieuwbare energiebronnen te kunnen exploiteren. Zo worden bijvoorbeeld fotoelektrochemische cellen ontworpen om zonne-energie op te slaan in duurzaam geproduceerd waterstofgas door middel van watersplitsing. Het gevormde waterstofgas kan dan gebruikt worden om op industriële schaal een brede waaier aan koolwaterstof-gebaseerde brandstoffen en nuttige chemicaliën te gaan maken. Binnen ons labo worden dergelijke cellen ontwikkeld met vele geavanceerde materialen zoals proton geleidende polymeren, fotosensitieve poreuze elektroden, en ook verscheidene comibnaties van katalysatoren en co-katalysatoren om de reacties te drijven. Het nieuwste type fotoelektrochemische cel vindt zijn watervoorziening niet in vloeibaar water, maar in waterdamp van omgevingslucht met een gemiddelde tot lage relatieve luchtvochtigheid. Hier zijn veel voordelen aan verbonden zoals het vermijden van belvorming, een verminderde mogelijkheid tot corrosie of vergiftiging van de katalysator, en er is geen nood aan een duur pompsysteem voor vloeistoffen. Echter, de combinatie van het gebruik van omgevingslucht met gering hogere celtemperaturen door de instraling van zonlicht doet het proton uitwisseling membraan in dergelijke cel uitdrogen, wat op zijn beurt de geleiding van protonen verhindert. Zelf-bevochtiging van het membraan kan verwezenlijkt worden door het incorporeren van anorganische nanopartikels, maar dit leidt echter niet altijd tot een verbeterde proton geleiding. Begrijpen hoe deze materialen werken en interageren is daarom cruciaal voor het optimaliseren van fotoelektrochemische cellen voor gebruik in open lucht. De spectroscopische techniek genaamd 'kernmagnetische resonantie' (NMR) biedt de mogelijkheid om dit te bestuderen op moleculaire schaal. Het voornaamste doel van dit werk is het benutten van de uitgebreide toolbox van NMR spectroscopie om de lokalisatie en dynamica van water in zuivere en nanocomposiet Nafion membranen te bestuderen. Dit is belangrijk met betrekking tot hun gebruik als proton geleidende vaste elektrolieten in op lucht gabaseerde fotoelektrochemische cellen.