​​
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

  • 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.
    615
  • 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.
    1180
  • 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.
    1337
  • 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.
    2025
  • 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.
    1020
  • 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.
    1857
  • 28/08/2020

    СУНЦ НГУ познакомил школьников с учеными

    Этим летом при поддержке новосибирской ФМШ впервые прошли дистанционные экскурсии по институтам Новосибирского научного центра. Идея организовать онлайн-экскурсии возникла, когда стало понятно, что традиционные летние мероприятия СУНЦ НГУ в этом году будут проходить дистанционно.
    645
  • 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.
    1194
  • 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.
    1027
  • 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.
    853