​​
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 H2SO4), 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).

Источники

Новосибирские ученые продвинулись в изучении экологически чистых протонно-обменных мембран
Новосибирский государственный университет (nsu.ru), 06/05/2020

Похожие новости

  • 14/10/2019

    Новосибирские ученые открыли новый метод управления молекулярной подвижностью в пористых металлоорганических каркасах

    Сотрудники лабораторий НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова представили исследование влияния электронодонорных «гостей» на подвижность линкеров в металлоорганическом каркасе на основе хрома MIL-101.
    889
  • 06/08/2020

    Шаг в «водородную эру» - интервью с молодым сибирским ученым Дмитрием Потемкиным

    ​Весной этого года сразу трое сотрудников Института катализа СО РАН стали лауреатами конкурса мэрии Новосибирска в сфере науки и инноваций среди молодых ученых. В их числе – кандидат химических наук Дмитрий Потемкин, чья работа связана с созданием катализаторов и технологий для водородной энергетики.
    462
  • 31/10/2016

    В НГУ проходит российско-японская конференция по перспективным наноматериалам

    ​Новосибирский государственный университет совместно с Институтом химии твёрдого тела и механохимии СО РАН и Университетом Тохоку проводит с 30 октября по 2 ноября 2016 года российско-японскую конференцию «Advanced Materials: Synthesis, Processing and Properties of Nanostructures», посвящённую перспективным материалам и наноструктурам.
    4338
  • 12/12/2018

    Новосибирские ученые разработали новый материал для полного выделения водорода из любой смеси газов

    Нанокомпозит, созданный новосибирскими химиками, может использоваться для выделения водорода в высокотемпературных каталитических реакторах: он устойчив к агрессивной среде, высоким температурам (до 1 000 oС) и дешевле создаваемых ранее материалов, содержащих палладий.
    1775
  • 21/05/2020

    Новосибирские ученые участвовали в разработке усовершенствованных экологически чистых протонно-обменных мембран

    ​​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.
    521
  • 30/12/2019

    Новосибирские ученые совместно с иностранными коллегами установили новый способ создания незамерзающих ионных жидкостей

    ​Ученые Новосибирского научного центра совместно с группой исследователей из Университета Ростока (Германия) под руководством ведущего специалиста по экспериментальному и теоретическому описанию водородосвязанных систем профессора Ральфа Людвига установили новый способ создания незамерзающих ионных жидкостей.
    1088
  • 03/01/2019

    Обнаружены особенности образования соединений, мешающих добыче нефти и газа

    ​​Ученые из Института неорганической химии имени А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН) исследовали реакцию образования кристаллических соединений воды и газа (газовых гидратов) с метастабильной (неустойчивой) структурой.
    1647
  • 02/01/2019

    Созданы катализаторы для сжигания продуктов газификации твердого топлива

    ​Российские ученые разработали новый композитный катализатор на основе оксидов железа, меди и алюминия и определили его активность. Разработанный катализатор будет использоваться для сжигания продуктов газификации различных видов топлива в кипящем слое.
    1241
  • 13/07/2020

    Новосибирские ученые усовершенствовали процесс разделения ксилолов

    ​Ученые лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ и Института катализа СО РАН исследовали молекулярный механизм процесса получения чистых изомеров ксилола.
    867
  • 13/03/2017

    Центр энергоэффективного катализа НГУ как воплощение идеи интеграции НГУ и ИК СО РАН

    Научно-образовательный центр энергоэффективного катализа (НОЦ ЭК), созданный Институтом катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Новосибирским государственным университетом при финансовой поддержке Фонда «Сколково», за три года функционирования показал выдающиеся результаты.
    1963