Ученые лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН совместно с коллегами из Кёнбукского Национального Университета (г. Тэгу, Южная Корея) получили и подробно изучили новый тип бескислотной протонно-обменной мембраны на основе пористого каркаса из формиатов металлов и воды. Новый материал работает под воздействием одной воды и обладает эффектом регенерации. Кроме того, достижение ученых позволяет создавать более безопасные водородные топливные электрохимические ячейки, а также сенсоры на основе эффекта переключения проводимости.
Работу международного коллектива приняло в печать в одно из наиболее влиятельных международных изданий в области химии — Chemical Communications of the Royal Society of Chemistry.
— Получение новых твердых протон-проводящих мембран позволит решить проблему сохранения и передачи энергии на расстоянии химическим путем. Строение ключевого элемента топливной ячейки — протонно-обменной мембраны — должно отвечать целому ряду свойств, таких как высокая скорость передачи, плотность зарядов, стабильность, безопасность эксплуатации и возможность повторного использования. Совместно с коллегами из Южной Кореи мы решили проблему путем создания эффективной мембраны без использования токсичных компонентов — кислот, — объяснил старший научный сотрудник ЛСиФСМС ФФ НГУ Даниил Колоколов.
Напомним, что ранее ученые продвинулись в изучении экологически чистых протонно-обменных мембран — здесь можно подробно ознакомиться с принципом работы электрохимических ячеек.
В ходе работы ученым удалось создать прототип подходящей мембраны, используя металло-органический каркас на основе формиата щелочноземельного металла (Mg). Оказалось, что такой каркас под воздействием воды перестраивается в пористую структуру, в которой открытые металлические центры связываются водой. Таким образом создается высокостабильная связная сетка водородных связей, способная передавать протоны — носители зарядов.
Сотрудникам новосибирской лаборатории методом ядерного магнитного резонанса удалось показать, что координированные молекулы воды, с одной стороны, прочно связаны с металлическими центрами, с другой — сохраняют высокую направленную подвижность, что необходимо для эффективно передачи протонов. Наличие большого количества открытых металлических центров в каркасе позволило обойтись без токсичных кислот.
В новой разработке ученым удалось совместить малый размер пор и наличие доступных нескоординированных металлических центров при таком подходе. Ключевым элементом здесь является именно большое количество координационных центров для молекул воды. Важным открытием оказались новые свойства каркаса: изначальный каркас при адсорбции воды полностью перестраивается. При активации материал переходит в непроводящее, аморфное состояние.
— Обычно изменения представляют проблему, так как мембрана необратимо выходит из строя, однако, к нашему удивлению, мы обнаружили, что при повторном насыщении водой каркас полностью восстанавливает структуру и параметры ионной проводимости. Таким образом, полученный материал способен пережить перегрев в ходе эксплуатации. Мы сейчас продолжаем думать, как еще можно использовать этот эффект, но одним из очевидных направлений может быть создание специальных сенсоров воды — при определенном избытке влаги в системе элемент начинает проводить из-за фазового перехода в проводящую кристаллическую фазу, — отметил Даниил Колоколов.
