Ученые лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ и Института Катализа им. Г. К. Борескова СО РАН подробно изучили молекулярный механизм проводимости в бескислотной протонно-обменной мембране на основе пористого металл-органического каркаса и мочевины. Результаты исследований были опубликованы в одном из наиболее влиятельных международных изданий в области химии — Journal of the American Chemical Society.
Актуальность исследования заключается в попытках ученых сменить вектор развития энергетики, построенной на нефти и угле. Создание топливных ячеек с двумя основными компонентами – водородом и кислородом – позволит повысить их долговечность (тем самым решая проблему сохранения энергии – материал внутри ячеек практически не деградирует), а также позитивно скажется на сохранении окружающей среды.
Принцип работы заключается в соединении заранее заготовленных компонентов-газов, которые хранятся в баллонах, внутри ячейки. Основная её часть – протонно-обменная мембрана, которая пропускает только ионы водорода, которые образуются на аноде ячейки. В ходе работы ионы водорода проходят сквозь мембрану и взаимодействуют с кислородом, образуя воду. В процессе создается электродвижущая сила, которую можно использовать для работы различных устройств. Мембрана должна быть влагоустойчивой и непроницаемой для остальных веществ.
Хотя новое поколение топливных электрохимических ячеек позволит решить проблему сохранения и передачи энергии на расстоянии химическим путем, оптимальное строение для материала ключевого элемента топливной ячейки еще не создано. Помимо высокой скорости передачи и плотности зарядов, материал для мембраны должен отвечать целому ряду требований, таких как стабильность и безопасность к эксплуатации. Эту проблему новосибирские ученые решают совместно с коллегами из университета Киото (Япония). Они решили создать эффективную мембрану без использования токсичных компонентов – кислот. Как правило, для создания высокоэффективных протон-проводящих мембран используют различные микропористые носители, в которые внедряют кислотные группы, либо в форме гостевых молекул кислот (такие как HCl или H
2SO4), либо в качестве функциональных групп. Несмотря на то, что в качестве носителя используется вода, все равно существует опасность выхода кислот из пор и разрушения как мембраны, так и всего устройства.
Ученые Киотского университета создали прототип подходящей мембраны, используя металло-органические каркасы с внедренной в поры мочевиной, а сотрудники новосибирской лаборатории методом ядерного магнитного резонанса смогли показать, что мочевина внутри микроканалов каркаса (MOF-74) в присутствии молекул воды действительно способна формировать сетку водородных связей, подходящую для эффективной передачи заряда.
— Это важное достижение: экспериментальным методом мы смогли разобраться с механизмом протонной проводимости и показали, что в присутствии открытых металлических центров в системе каркаса молекулы мочевины координируются к этим центрам и в таком состоянии могут образовывать достаточно сильные водородные связи с гостевыми молекулами воды, чего не происходит, скажем, в обычном растворе вода-мочевина. Нам удалось однозначно показать, что полученная такими образом структура водородных связей в канале каркаса отвечает за механизм передачи заряда. Важно отметить, что, в отличие от обычного метода – использования кислот, мочевина гораздо более экологически безвредный реагент и не будет так легко испаряться и коррозировать саму топливную ячейку при перегреве, — отметил старший научный сотрудник ЛСиФСМС ФФ Даниил Колоколов.
Ученые занимались разработкой протонно-обменных мембран еще в 60-е годы прошлого столетия для космических программ и военных приложений. Однако такой тип исследований был слишком дорогим для массового пользования, поэтому интерес к мембранам вернулся лишь в 90-е годы. Только в последние десятилетия стали появляться новые мембраны из более дешевых и эффективных материалов.
На сегодняшний день создание эффективных топливных ячеек позволит решить не только проблемы питания космических аппаратов, но более доступной и экологически чистой электрификации инфраструктуры (например, локационных систем) в труднодоступных районах и на крайнем севере, где необходима автономность и независимость от внешних условий (ветра, солнца, температуры).
.jpg "Ученый НГУ наблюдал полное солнечное затмение в штате Индиана")
