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.
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).