Группа ученых из различных учреждений, включая Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» и Центра водных исследований Нью-Йоркского университета в Абу-Даби, а также Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина, создала инновационные мембраны для топливных элементов. Эти разработки могут сыграть важную роль в создании более эффективных и экологически чистых источников энергии будущего. Результаты работы опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.
В стремлении к экологически чистой энергии водородные топливные элементы играют важную роль. Эти устройства, трансформирующие химическую энергию в электричество, почти не выделяют вредных выбросов — лишь воду и тепло. Однако для того, чтобы эта технология получила широкое распространение, исследователям необходимо решить ключевую задачу: разработать долговечные и эффективные материалы для протонообменных мембран, являющихся важнейшим компонентом топливных элементов. В настоящее время для этой цели применяются протонпроводящие мембраны, созданные на основе перфтосульфополимеров. Мембраны на их основе демонстрируют хорошие характеристики при высокой влажности, но теряют эффективность в условиях сухого воздуха. Также они подвержены расширению и сжатию при изменении влажности, что со временем приводит к их деградации.
Московские и абу-дабийские ученые предложили новаторское решение этой задачи. Они разработали гибридный материал, основу которого составляет полимер Aquivion с большим количеством сульфогрупп, дополненный неорганическими компонентами: наночастицами кремнезема и цезиевой солью фосфорновольфрамовой кислоты. По словам доктора химических наук Екатерины Сафроновой из ИОНХ РАН, эти добавки выполняют две ключевые задачи: они повышают стабильность мембранной структуры, предотвращая изменение размеров материала при колебаниях влажности, и, кроме того, увеличивают протонную проводимость в условиях низкой влажности.
«Екатерина отметила впечатляющие результаты: новые мембраны для топливных элементов обеспечивают на 1,5 раза большую мощность по сравнению с обычными при низкой влажности, а также обладают повышенной механической стабильностью. Это является значительным прогрессом на пути к разработке более надежных и продуктивных энергетических систем будущего. В дальнейшем авторы намерены сосредоточиться на совершенствовании рабочих качеств подобных мембран, включая повышение их устойчивости к химическому воздействию в условиях работы топливного элемента.
Благодаря поддержке Российского научного фонда (№ 21-73-10149) данное открытие способно существенно увеличить продолжительность работы и мощность топливных элементов, что сделает водородную энергетику более доступной. В будущем подобные разработки позволят уменьшить потребность в ископаемом топливе и снизить негативное влияние на экологию.
E. Сафронова, Н. Стреттон, О. Корчагин, Д. Голубенко, Н. Хилал, А. Ярославцев. Гибридные мембраны Aquivion®, легированные SiO 2 and CsxH3—xPW12O40 with improved dimensional stability for proton exchange membrane fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy. 2025. V. 145. P. 1120-1133. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.06.144. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.06.144
Информация и иллюстрация предоставлены Институтом общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова, Российской академии наук (ИОНХ РАН)