.jpg)
Ученые разработали новый тип мембран для водородных топливных элементов, которые могут стать ключом к более эффективной и экологически чистой энергетике будущего. Предложенный материал представляет собой фторполимер с сульфогруппами и добавками кремнезема и неорганической кислоты. Он эффективно превращает химическую энергию водорода и кислорода в электричество как при высокой, так и при низкой влажности, благодаря чему оказывается лучше аналогов, требующих увлажнения. Исследование получило грант Российского научного фонда.
Большинство стран стремятся перейти к экологически чистой энергетике, которая поможет сократить выбросы углекислого газа в атмосферу. Одним из перспективных решений выступают водородные топливные элементы. Эти устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую, не производят вредных выбросов. В результате работы, помимо электричества, они образуют только воду и тепло. Но чтобы эта технология стала массовой, ученым нужно создать долговечные и эффективные материалы для протонообменных мембран, которые являются ключевыми компонентами топливных элементов. Такие мембраны разделяют водород и кислород. На положительно заряженном электроде молекулы водорода расщепляются до протонов, которые через мембрану должны поступить к отрицательно заряженному электроду. Там в результате реакции между протоном и кислородом образуется вода, а химическая энергия этого процесса преобразуется в электрическую.
В настоящее время используются мембраны на основе фтор- и серосодержащих органических соединений. Такие материалы хорошо работают при достаточном увлажнении, но теряют эффективность, когда влажность уменьшается до 60% и ниже из-за того, что хуже проводят протоны. Кроме того, они расширяются и сжимаются при изменении влажности, что со временем приводит к их разрушению. Поэтому ученые ищут способ улучшить свойства таких мембран.
Исследователи из Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова с коллегами предложили гибридный материал на основе широко используемого для создания протонообменных мембран полимера Aquivion. Авторы исследования добавили в него такие неорганические компоненты, как наночастицы кремнезема и цезиевую соль соединения, содержащего фосфор и вольфрам. Эти добавки выполняли сразу две важные функции. Во-первых, они стабилизировали структуру мембраны, ограничивая изменение размеров материала при колебании влажности. Во-вторых, они улучшили эффективность работы в сухих условиях.
Затем ученые протестировали способность полученных мембран пропускать через себя протоны. Топливные элементы с новыми мембранами продемонстрировали в 3,9-5,3 раза большую мощность, если сравнивать с привычными аналогами, при влажности 30%. Кроме того, предложенный материал оказался гораздо стабильнее. Его объем при разной влажности практически не менялся.
Новая разработка может значительно продлить срок службы топливных элементов и повысить мощность устройств, сделав водородную энергетику более доступной. В перспективе такие технологии помогут сократить зависимость от ископаемого топлива и снизить вредное воздействие на окружающую среду.
Ученые планируют и дальше улучшать характеристики аналогичных мембран, а также повышать их химическую устойчивость при работе в топливных элементах.
В исследовании принимали участие сотрудники Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики", Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина и Нью-Йоркского университета в Абу-Даби.
