​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.

Toplivnye_yacheyki_na_proton-obmennoy_membrane.jpg  

 

— 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).

 

111.png  

Строение нового материала MFM-550 (La) для стабильных протон-обменных мембран. 
 

 

Справка:
Ранее группа сотрудников лаборатории совместно с коллегами из Ганноверского университета им. Лейбница и Аугсбургского университета (Германия) внесла значительный вклад в понимание механизма разделения углеводородов нанопористыми материалами — металл-органическими координационными полимерами. Международный авторский коллектив научился управлять процессом разделения углеводородов посредством изменения газопроницаемости мембран, сделанных из этих материалов, с помощью электрических полей. Этот подход может существенно упростить производство пластмасс, таких как, например, полиэтилен или полипропилен, что поможет значительно снизить издержки их производства. Результаты исследования международного научного коллектива опубликованы в авторитетном журнале Science.

 
 
Лаборатория основана в рамках Проекта 5-100.

Источники

Новосибирские ученые совершили открытие в водородной энергетике
Новосибирский государственный университет (nsu.ru), 20/11/2018
Новосибирские ученые совершили открытие в водородной энергетике
БезФормата.Ru Новосибирск (novosibirsk.bezformata.ru), 20/11/2018
Сотрудникам НГУ и ИК СО РАН совершили открытие в водородной энергетике
Академия новостей (academ.info), 20/11/2018
Новосибирские ученые совершили открытие в водородной энергетике
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 20/11/2018
Ученым удалось в 100 раз усилить проводимость мембран для водородных топливных элементов
Новости@Rambler.ru, 20/11/2018
Ученым удалось в 100 раз усилить проводимость мембран для водородных топливных элементов
ТАСС, 20/11/2018
Ученым удалось в 100 раз усилить проводимость мембран для водородных топливных элементов
Спутник Новости (news.sputnik.ru), 20/11/2018
Ученым удалось в 100 раз усилить проводимость мембран для водородных топливных элементов
SMIonline (so-l.ru), 20/11/2018
Ученым удалось в 100 раз усилить проводимость мембран для водородных топливных элементов
News2 (news2.ru), 20/11/2018
Сибирские ученые сделали еще один шаг к энергетике будущего
Наука в Сибири (sbras.info), 21/11/2018
Ученым удалось в 100 раз повысить проводимость мембран для водородных топливных элементов
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 22/11/2018
Наука и технологии. Сибирские ученые сделали еще один шаг к энергетике будущего
Природа Сибири (prirodasibiri.ru), 25/11/2018
Ученые ИК СО РАН И НГУ сделали шаг к энергетике будущего
1k.com.ua, 26/11/2018
Ученые ИК СО РАН И НГУ сделали шаг к энергетике будущего
Научная Россия (scientificrussia.ru), 26/11/2018
Приручение электродвижущей силы
ИА ИНВУР (invur.ru), 30/11/2018
Научный микроблог
ФСМНО (sciencemon.ru), 04/12/2018

Похожие новости

  • 10/04/2019

    Российские ученые нашли лучший катализатор для добычи энергии из отходов

    Российские ученые определили состав катализатора, наиболее эффективно ускоряющего процесс экологически чистого получения энергии из отходов, результаты работы, которые могут найти практическое применение в промышленности, опубликованы в престижном международном журнале Catalysis Letters.
    335
  • 14/12/2018

    Новосибирские ученые помогли реализовать новый принцип молекулярного дизайна микропористых сред

    ​Ученые лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН исследовали материал для селективной абсорбции токсичных газов и смогли составить детальную характеристику компонентов, составляющих «молекулярное сито».
    592
  • 01/12/2016

    Новосибирские учёные создали энергосберегающие сорбенты нового типа

    ​Учёные из НГУ и Института катализа СО РАН разработали энергосберегающий сорбент на основе вспученного вермикулита (минерала, использующегося для выращивания растений на гидропонике), модифицированного хлоридом лития.
    1751
  • 11/03/2019

    Исследования новосибирских ученых попали на обложку международного кристаллографического журнала

    ​Публикация посвящена исследованию кристаллических структур двух соединений при варьировании температуры: молекулярной соли и смешанного кристалла в системе β-аланина и DL-винной кислоты, имеющих одинаковый стехиометрический состав 1:1, но различную кристаллическую структуру.
    279
  • 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.
    1188
  • 29/04/2019

    Команда российских ученых выдвинула гипотезу о существовании жизни на Венере

    Ученые из Института космических исследований РАН, Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН и НГУ выдвинули гипотезу о существовании жизни на Венере. К таким выводам исследователей привела новая обработка панорамных изображений поверхности Венеры, полученных советскими аппаратами «Венера-9», «Венера-10», «Венера-13» и «Венера-14» в 1975—1982 годах.
    314
  • 08/12/2016

    Новосибирские химики производят уникальные композитные материалы для сжигания топлива

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и институтов СО РАН создают керамометаллические композитные матрицы на основе порошка алюминия, его оксида и сплавов. Эти уже успешно испытанные материалы обладают уникальными характеристиками, в частности, высокой теплопроводностью, и используются для структурированных катализаторов процессов сжигания и трансформации топлив.
    2176
  • 24/03/2017

    Новосибирские и британские учёные разработали новый класс микропористых материалов

    Международная группа ученых из лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Новосибирского государственного университета, Института катализа СО РАН, Института неогранической химии СО РАН и Манчестерского университета разработала новый вид микропористых материалов — металл-органических каркасов, основанный на принципах направленного молекулярного дизайна.
    1285
  • 09/04/2019

    Сибирские ученые оптимизируют работу электронных дисплеев органическими полупроводниками

    ​Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) займутся исследованием свойств органических полупроводников (материалов, используемых в электронике), чтобы повысить эффективность используемых сейчас электронных дисплеев, сообщил ТАСС руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ Евгений Мостович.
    231
  • 20/06/2017

    Международная выставка «НТИ ЭКСПО» в Новосибирске

    ​​​Уникальная международная выставка достижений технологического развития "НТИ ЭКСПО" пройдет в рамках V Международного форума технологического развития "Технопром-2017" 20-22 июня в Новосибирске при поддержке правительства РФ, коллегии ВПК, Минпромторга России, Минэкономразвития России, МИДа РФ, правительства Новосибирской области.
    2455