​Специалисты Института химии твердого тела и механохимии СО РАН предложили и разработали новый метод синтеза электролитных мембран. Полученная пленка обладает высокой протонной проводимостью и устойчивостью к механическому воздействию и будет применяться в среднетемпературных топливных элементах. Результаты работы опубликованы в журнале Ionics.

 

 
 
 
 
На сегодняшний день одним из перспективных направлений исследований являются топливные элементы (ТЭ). Это устройства, с помощью которых можно превратить химическую энергию топлива, например от окисления водорода, в электричество, минуя процесс горения. Важнейшей составляющей ТЭ является мембрана, которая при протекании химической реакции должна пропускать только протоны. Существующие топливные элементы работают либо в низкотемпературном, либо в высокотемпературном диапазоне, однако промежуточная область ничем не занята. Среднетемпературный диапазон является наиболее значимым с точки зрения энергозатрат, используемых материалов, скорости протекания электродных процессов и функционального дизайна. Возможность использования дигидрофосфата цезия (CsH2PO4), имеющего суперпротонную проводимость, в качестве протонпроводящей мембраны привлекает внимание ученых, однако мощностные характеристики полученных устройств далеки от совершенства. Поэтому специалисты ИХТТМ СО РАН сосредоточили свои исследования на синтезировании тонкопленочного материала, который можно применить в среднетемпературных топливных элементах.
 
Мембрана — собирательное понятие, которое характеризуется не только высокой (в данном случае — протонной) проводимостью и низкой электронной, но и хорошими прочностными механическими свойствами, а также термической, термодинамической и химической устойчивостью. Чем она тоньше и пластичнее, чем однороднее ее структура при высокой проводимости, тем мощнее и долговечнее получится топливный элемент. 
 
«Среди кислых солей щелочных металлов наиболее перспективным для использования в качестве мембран является дигидрофосфат цезия с высокой суперпротонной проводимостью при температурах выше 230 оС и крайне низкой электронной составляющей. Введение в его состав полимерных добавок, в частности Butvar B-98, позволяет увеличить прочность и гидрофобность», — рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории неравновесных твердофазных систем ИХТТМ СО РАН доктор химических наук Валентина Георгиевна Пономарёва.​
 
Полимерная добавка Butvar B-98 на сегодняшний день широко используется для получения защитных покрытий и пленок. Полимер хорошо растворим в спиртах и устойчив к воздействию щелочей и кислот. Сибирские ученые выяснили, что при смешении Butvar с дигидрофосфатом цезия получается композиционный электролит, распределение соли в котором недостаточно однородно, следовательно, свойства синтезированной мембраны далеки от требуемых. Поскольку неизвестно общих растворителей соли и полимера, для создания пленки специалисты предложили сделать «шаг назад», использовав не готовую соль, а подобрав общий растворитель для получения CsH2PO4 из исходных веществ и Butvar. В итоге методом полива была сформирована прочная тонкая мембрана толщиной менее 100 мкм.
 
«Получилось так, что, подобрав методику синтеза из исходных компонентов, соответствующие растворители, составы и условия, удалось синтезировать дигидрофосфат цезия непосредственно в полимерной матрице. Поскольку исходные соединения имеют общий растворитель, мы получили соль с маленькими частицами, не требующими дальнейшего измельчения. Подобный метод ранее не использовался, хотя в нем нет ничего сложного», — отмечает старший научный сотрудник лаборатории неравновесных твердофазных систем ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Ирина Николаевна Багрянцева.​​
 
«Наши исследования осуществляются в относительно новом направлении. Первые работы коллег с дигидрофосфатом цезия были начаты лишь в 2013—2015 годах. Наши экспериментальные установки создаются под соответствующую задачу, всё строится с нуля. Полученная нами мембрана является лишь первой стадией к созданию среднетемпературного топливного элемента. Сейчас мы работаем над электродными композициями для синтезированной пленочной мембраны, которая сможет устойчиво функционировать в выбранной среде», — рассказывает Валентина Пономарёва. 
 
Андрей Фурцев
 
Изображение предоставлено исследователями
 

Источники

Сверхтонкие мембраны для ТЭ
Seldon.News (news.myseldon.com), 27/10/2020
Сибирские ученые создали тонкую мембрану
Наука в Сибири (sbras.info), 27/10/2020
Сверхтонкие мембраны для ТЭ
Академгородок (academcity.org), 27/10/2020
Сибирские ученые создали тонкую мембрану
Научная Россия (scientificrussia.ru), 27/10/2020
Сибирские ученые создали уникальные мембраны для топливных элементов
ИА Красная весна (rossaprimavera.ru), 27/10/2020
Новая мембрана позволит сделать супераккумуляторы
ИА Красная весна (rossaprimavera.ru), 28/10/2020
Сибирские ученые создали тонкую мембрану
Nanonewsnet.ru, 29/10/2020

Похожие новости

  • 13/09/2019

    Найден способ усилить безопасность при перевозке радиоактивных отходов

    ​Современные технологии требуют новых материалов, все более усовершенствованных, мультифункциональных, с теми или иными ярко выраженными свойствами. Специалисты Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) совместно с Институтом ядерной физики им.
    748
  • 08/06/2017

    Ученые СО РАН и Японии вырастили нанотрубки на поверхности искусственных алмазов без графена

    ​Ученые из институтов Сибирского отделения РАН и Университета Тохоку (Япония) создали технологию выращивания углеродных нанотрубок на поверхности искусственных алмазов без добавления графена. Как рассказал ведущий научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН Борис Бохонов, метод отличается тем, что алмазы не требуют предварительной обработки, и может использоваться для элементов микросхем и устройств памяти.
    29674
  • 29/03/2018

    Новосибирские ученые разработали уникальный метод изучения химических реакций в кристаллах

    ​В журнале Royal Society of Chemistry, Chemical Science вышла статья сотрудников и преподавателей кафедры химии твердого тела НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, посвященная использованию количественных прецизионных измерений изгиба кристалла в ходе фотопревращения при различных температурах для определения кинетических параметров превращения: энергии активации, константы скорости, коэффициента обратной связи и других.
    1695
  • 06/02/2020

    Новосибирские ученые опубликовали единый обзор расчетных методов исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях

    ​Исследователи лаборатории физико-химических основ фармацевтических материалов Факультета естественных наук НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН составили единый обзор существующих расчетных методов для исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях.
    621
  • 21/10/2019

    Как делают науку в Сибири

    Чем живет сибирская наука? Обычно мы слышим об ученых либо в связи с прорывными и особо интересными открытиями. Либо благодаря созданию новых научных объектов, таких как ЦКП СКИФ. Либо, как это ни печально, из-за каких-либо конфликтов.
    1437
  • 27/02/2020

    Новосибирские ученые обнаружили первый случай сохранения пластичности кристаллов органических веществ при экстремально низких температурах

    ​Ученые лаборатории физико-химических основ фармацевтических материалов Факультета естественных наук НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН экспериментально предсказали и показали пластичность кристаллов кислого малеата L-лейциния, сохранявшуюся при температуре –196 C°.
    980
  • 26/04/2017

    Эксперимент сибирских ученых по ремонту дорог с помощью зол повторят летом

    ​Сибирские ученые остались недовольны результатами первого эксперимента по ямочному ремонту с использованием высокопрочного золобетона (материала на основе отходов ТЭЦ). Укладка материала проходила поздней осенью с нарушением технологии, поэтому покрытие изначально не идеально сцепилось и показало меньшую износостойкость, чем ожидалось, хотя и значительно превзошло по показателям обычный асфальт, сообщил ТАСС директор Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН Николай Ляхов.
    1414
  • 22/12/2015

    Ученым удалось сделать аккумуляторы более емкими

    ​Ученые давно работали над тем, каким образом сделать литий-ионные аккумуляторы, чтобы они стали более емкими. Данный прецедент удалось решить исследователям из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Сибирского отделения российской Академии наук).
    2191
  • 14/03/2019

    Как реализовать возможности российского рынка многокомпонентных материалов

    ​Недавняя новость о том, что из-за международных санкций российские авиастроители не смогут получать из США компоненты, необходимые для выпуска отечественного лайнера МС-21, вызвала бурное обсуждение, так или иначе связанное с проблемой преодоления зависимости от импорта.
    1136
  • 01/06/2020

    Российские ученые создали уникальный материал для аэрокосмической промышленности

    ​Керамический материал, который обладает самой высокой температурой плавления среди всех известных соединений, удалось разработать группе ученых НИТУ МИСиС.  В ходе реализации проекта "Синтез и искровое плазменное спекание сверхвысокотемпературной керамики для аэрокосмической промышленности" удалось получить соединение HfC0.
    740