​​
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

  • 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.
    957
  • 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.
    979
  • 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.
    1824
  • 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.
    1147
  • 11/11/2016

    Статья новосибирских ученых опубликована в журнале «Chemical Engineering Science»

    В июльском номере журнала Chemical Engineering Science (IF = 2,750) вышла публикация сотрудников Института математики им. С.Л. Соболева СО РАН, Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и НГУ «Evolution ofsorptive and textural properties of CaO — based sorbents during repetitivesorption/regeneration cycles».
    1968
  • 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.
    560
  • 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.
    1298
  • 06/05/2019

    «СКТБ Катализатор» ведет переговоры с «Газпром нефтью»

    ​Губернатор области рекомендовал инициаторам проекта активизировать переговоры и с другими нефтяными компаниями. — На какой стадии находится реализация проекта по созданию Сертификационного центра катализаторов (Инициатор АО «СКТБ Катализатор».
    993
  • 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.
    805
  • 20/03/2017

    Институт катализа СО РАН и Лицей № 130 откроют совместную химическую лабораторию

    Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Лицей № 130 имени академика М.А. Лаврентьева откроют совместную химическую лабораторию. Учащиеся смогут со школьной скамьи получить опыт работы в настоящей лаборатории под руководством научных сотрудников, решая реальные исследовательские задачи.
    3195