В условиях глобального стремления перейти к экологически безопасным источникам энергии особое значение приобретают новые разработки в сфере водородной энергетики. Одним из важнейших компонентов современных топливных элементов, преобразующих химическую энергию водорода в электрическую, является протонпроводящая мембрана. Она определяет эффективность работы устройства, поскольку играет роль своеобразного барьера для разделения жидкой и газовой фаз, обеспечивая односторонний перенос протонов между электродами.
В топливных элементах отходами реакции становятся лишь вода и тепло, поэтому такие системы считаются идеальным кандидатом для «зеленой» энергетики и по праву занимают одно из ведущих положений в стратегии энергетического перехода. Однако для массового внедрения необходимы усовершенствованные мембраны, сочетающие высокую проводимость и стабильность в реальных условиях эксплуатации.
Совместные исследования ведущих институтов России и мира
Ученые Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова (ИОНХ) РАН в партнерстве с исследователями Высшей школы экономики (ВШЭ), Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина (ИФХЭ) РАН, а также Нью-Йоркского университета в Абу-Даби представили инновационное решение задачи. Экспертные коллективы сосредоточили усилия на создании принципиально новой протонпроводящей мембраны на полимерной основе с добавлением неорганических компонентов.
Уникальность подхода состоит в том, что сочетание полимеров, обладающих повышенной концентрацией сульфогрупп, и специально подобранных неорганических добавок позволяет добиться не только высокой степени проводимости, но и значительно повысить стабильность материала. Это ключевой фактор для долговременной работы мембран в переменных условиях влажности и температуры, характерных для реальных топливных элементов.
Преимущества новой мембраны: высокая проводимость и стабильность
В традиционных полимерных протонпроводящих мембранах увеличение числа сульфогрупп заметно улучшает их проводимость, однако обычно это сопровождается снижением механической и размерной стабильности — мембраны становятся менее устойчивыми к деформациям при изменении внешних условий. Команда российских и международных ученых предложила использовать неорганические вещества, стабилизирующие структуру материала.
Благодаря инновационному сочетанию компонентов удалось устранить конкуренцию между проводимостью и стабильностью: мембрана сохраняет размеры и форму даже при изменении температуры или уровня влажности, а также обладает значительно большей способностью к переносу протонов. Анализ показал, что новые мембраны превосходят существующие коммерческие аналоги по ряду ключевых характеристик — особенно по величине проводимости, которая выросла примерно в полтора раза.
Вклад в будущее топливных элементов
Такая разработка существенно расширяет технические возможности применения протонпроводящих мембран в водородной энергетике. Новые мембраны успешно работают даже при сниженной влажности, что упрощает системы подачи увлажненного газа и, как следствие, снижает эксплуатационные расходы. Применение этих инновационных материалов в качестве электролитов в топливных элементах приведёт к значительному росту удельной мощности устройств, гарантируя устойчивую работу вне зависимости от изменений окружающей среды.
В долгосрочной перспективе это открывает путь для создания доступных и надежных энергетических систем на основе водорода, способных найти широкое применение — от транспорта и энергетики до бытовых нужд. Технология, появившаяся благодаря синергии ведущих российских и международных научных учреждений, уже сегодня закладывает прочный фундамент для будущей энергетической независимости и экологической безопасности.
Новые горизонты для науки и промышленности
Инновация, предложенная совместной группой исследователей из ИОНХ РАН, ВШЭ, ИФХЭ РАН и Нью-Йоркского университета в Абу-Даби, уже вызвала интерес у экспертов в сфере материаловедения и промышленности. Такое решение позволяет рассчитывать на создание новых, более эффективных моделей топливных элементов, приближая переход к устойчивым источникам энергии. Принцип соединения полимерной матрицы с неорганическими стабилизаторами может стать основой для целого класса будущих мембран — не только для водородных и других видов топливных ячеек, но и для иных направлений современной энергетики и химии.
Сотрудничество специалистов из разных областей и стран позволяет не только ускорить разработку передовых технологий, но и повысить качество получаемых результатов. Вклад российских научных организаций и их зарубежных партнеров станет важным этапом на пути достижения новых успехов в «зеленой» энергетике, что, безусловно, положительно скажется на всей мировой экосистеме и качестве жизни будущих поколений.
Источник: scientificrussia.ru
