​​
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. Тэгу, Южная Корея) получили и подробно изучили новый тип бескислотной протонно-обменной мембраны на основе пористого каркаса из формиатов металлов и воды. Новый материал работает под воздействием одной воды и обладает эффектом регенерации. Кроме того, достижение ученых позволяет создавать более безопасные водородные топливные электрохимические ячейки, а также сенсоры на основе эффекта переключения проводимости. 

Работу международного коллектива приняло в печать в одно из наиболее влиятельных международных изданий в области химии — Chemical Communications of the Royal Society of Chemistry.

— Получение новых твердых протон-проводящих мембран позволит решить проблему сохранения и передачи энергии на расстоянии химическим путем. Строение ключевого элемента топливной ячейки — протонно-обменной мембраны — должно отвечать целому ряду свойств, таких как высокая скорость передачи, плотность зарядов, стабильность, безопасность эксплуатации и возможность повторного использования. Совместно с коллегами из Южной Кореи мы решили проблему путем создания эффективной мембраны без использования токсичных компонентов — кислот, — объяснил старший научный сотрудник ЛСиФСМС ФФ НГУ Даниил Колоколов.

Напомним, что ранее ученые продвинулись в изучении экологически чистых протонно-обменных мембран — здесь можно подробно ознакомиться с принципом работы электрохимических ячеек.

В ходе работы ученым удалось создать прототип подходящей мембраны, используя металло-органический каркас на основе формиата щелочноземельного металла (Mg). Оказалось, что такой каркас под воздействием воды перестраивается в пористую структуру, в которой открытые металлические центры связываются водой. Таким образом создается высокостабильная связная сетка водородных связей, способная передавать протоны — носители зарядов.

Сотрудникам новосибирской лаборатории методом ядерного магнитного резонанса удалось показать, что координированные молекулы воды, с одной стороны, прочно связаны с металлическими центрами, с другой — сохраняют высокую направленную подвижность, что необходимо для эффективно передачи протонов. Наличие большого количества открытых металлических центров в каркасе позволило обойтись без токсичных кислот.

В новой разработке ученым удалось совместить малый размер пор и наличие доступных нескоординированных металлических центров при таком подходе. Ключевым элементом здесь является именно большое количество координационных центров для молекул воды. Важным открытием оказались новые свойства каркаса: изначальный каркас при адсорбции воды полностью перестраивается. При активации материал переходит в непроводящее, аморфное состояние.

— Обычно изменения представляют проблему, так как мембрана необратимо выходит из строя, однако, к нашему удивлению, мы обнаружили, что при повторном насыщении водой каркас полностью восстанавливает структуру и параметры ионной проводимости. Таким образом, полученный материал способен пережить перегрев в ходе эксплуатации. Мы сейчас продолжаем думать, как еще можно использовать этот эффект, но одним из очевидных направлений может быть создание специальных сенсоров воды — при определенном избытке влаги в системе элемент начинает проводить из-за фазового перехода в проводящую кристаллическую фазу, — отметил Даниил Колоколов.

Похожие новости

  • 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.
    1085
  • 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.
    1645
  • 01/04/2020

    Новосибирские ученые исследовали влияние экстремальных условий на новые органические кристаллы, перспективные для создания полупроводниковых материалов

    ​​Команда исследователей из НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова совместно с сотрудниками Института Рудера Бошковича (Загреб, Хорватия) изучили влияние экстремальных условий (высоких давлений и низких температур) на кристаллическую структуру органического полупроводника на основе семихиноновых радикалов.
    333
  • 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.
    1831
  • 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.
    675
  • 16/07/2019

    Международная школа по методам высоких давлений Европейского центра синхротронных исследований

    ​Преподаватель и студенты новой междисциплинарной магистерской программы «Методическое обеспечение физико-химических исследований конденсированных фаз» приняли участие в международной школе по методам высоких давлений (Schoo on High Pressure Techniques), которая прошла в Гренобле (Франция) с 17 по 21 июня.
    880
  • 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.
    1006
  • 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.
    950
  • 06/05/2020

    Новосибирские ученые продвинулись в изучении 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 подробно изучили молекулярный механизм проводимости в бескислотной протонно-обменной мембране на основе пористого металл-органического каркаса и мочевины.
    512
  • 28/02/2018

    Европейский Центр Синхротронных Исследований включил работу профессора Елены Болдыревой в число лучших по итогам 2017 года

    ​Профессор НГУ Елена Болдырева возглавила международную группу по исследованиям механохимического синтеза с использованием синхротронного излучения in situ в режиме реального времени – исследование отмечено как одно из лучших достижений Европейского Центра Синхротронных Исследований в Гренобле за 2017 год.
    1822