​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

  • 02/06/2018

    Новосибирские ученые научились создавать более емкие пористые материалы

    ​Ученые из лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем НГУ, сотрудники Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН Даниил Колоколов и Александр Степанов совместно с иностранными учеными создали серию нанопористых металл-органических каркасов — сорбентов с оптимальными параметрами хранения природного газа.
    386
  • 30/07/2018

    Ученые ИК СО РАН использовали растительные отходы, чтобы сделать топливо более экологичным

    Сотрудники лаборатории каталитических процессов переработки возобновляемого сырья Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН совместно с коллегами из Новосибирского государственного университета получили экологически чистое топливо, смешав бензин с веществом, полученным от переработки соломы и древесины.
    454
  • 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.
    1545
  • 25/07/2017

    Ученые ИК СО РАН создали новый материал для низкотемпературных топливных элементов

    ​​​Ученые Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН и Новосибирского государственного университета создали новый, более стабильный материал для низкотемпературных топливных элементов с протон-проводящей мембраной.
    738
  • 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.
    1857
  • 18/10/2018

    Новосибирские ученые разработали новое оборудование для радиоуглеродного анализа

    ​Новосибирские ученые разработали новый метод и полуавтоматическое оборудование для подготовки проб для радиоуглеродного анализа на ускорительном масс-спектрометре. Созданная установка на порядок дешевле традиционно эксплуатируемой (сотни тысяч рублей вместо нескольких миллионов).
    213
  • 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».
    95
  • 21/07/2017

    Новосибирские ученые нашли способ улучшить работу очистителей воздуха

    Ученые НГУ выиграли грант Российского научного фонда (РНФ). Разработка ученых поможет решить фундаментальные научные задачи, а также улучшить работу бытовых и профессиональных очистителей воздуха. Тема работы новосибирских ученых — «Фото- и терморазложение металлокомплексов как способ формирования наночастиц металлов и биметаллических структур на поверхности фотокаталитически активных материалов».
    937
  • 23/10/2017

    Что нужно для развития химической отрасли

    ​Развитие химической отрасли немыслимо без инноваций, поэтому особое значение приобретает трансфер современных технологий. Еще лет пятнадцать назад в случае необходимости в том или ином продукте о подобной проблеме не задумывались, и нужная продукция просто импортировалась.
    617
  • 20/02/2017

    Новосибирские ученые предлагают недорогой способ утилизации отходов канализации

    ​Утилизировать отходы сточных вод с помощью катализаторов предложили новосибирские ученые. Обычно иловые осадки складируют на специальных полигонах или сжигают с применением песка. Это затратно и неэкологично.
    1241