Ученые лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН подробно изучили устройство протонно-обменной мембраны — главной части топливной электрохимической ячейки — и смогли выяснить, как улучшить ее проводимость.
Эффективные топливные электрохимические ячейки позволят решить проблему сохранения и передачи энергии на расстоянии химическим путем. Однако материал с достаточной долговечностью для данной задачи еще не создан. Новосибирские ученые решали проблему совместно с коллегами из Манчестерского университета, синтетики которого смогли получить новый материал для мембраны на основе лантанидов — его улучшением и занимались новосибирские специалисты.
На сегодняшний день в мире существует концепция, которая в будущем позволит уйти от энергетики, построенной на нефти и угле: топливные ячейки с двумя основными компонентами — водородом и кислородом — будут более экологичны в эксплуатации. Также ячейки позволят решить проблему сохранения энергии, в отличие от современных аккумуляторов (например, внутри мобильных телефонов или зарядных батареек), материал которых со временем деградирует, а способность удерживать заряд истощается.
Принцип работы заключается в соединении заранее заготовленных компонентов-газов, которые хранятся в баллонах внутри ячейки. Основная ее часть — протонно-обменная мембрана, которая пропускает только ионы водорода, образующиеся 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. Ученые Манчестерского университета создали прототип подходящей мембраны, используя металло-органические каркасы, а сотрудники новосибирской лаборатории методом ядерного магнитного резонанса смогли исследовать базовый материал, показали, каков механизм протонной проводимости, выяснили, как его улучшить, и в итоге проводимость конечной мембраны усилилась в сто раз.
— Наша заслуга заключается в том, что мы экспериментальным методом смогли разобраться с механизмом протонной проводимости и показали, каким образом возникают частицы-переносчики на поверхности мембраны, а также предложили дополнительную обработку поверхности, чтобы увеличить концентрацию переносчиков, тем самым улучшив проводимость. Потенциально это новый шаг в энергетике, который будет использоваться в современных источниках электропитания с помощью экологически чистых материалов. Ячейка имеет неограниченный по времени способ хранения электроэнергии в виде раздельных веществ, не будет ломаться и не требует технического обслуживания, в отличие от обычно используемых переносных дизельных электрогенераторов, — отметил старший научный сотрудник лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ Даниил Колоколов.
Впервые разработка протонно-обменной мембраны началась в 60-х годах прошлого столетия для нужд космических программ и военных приложений, но она была слишком дорогой для массового использования. Интерес к данной проблеме вернулся в 1990-е годы, однако новые мембраны из более дешевых и эффективных материалов стали появляться только в последние годы. Создание эффективных топливных ячеек позволит решить не только проблемы питания космических аппаратов, но и 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).
Строение
нового материала MFM-550 (La) для стабильных протон-обменных мембран.
