Ученые МГУ нашли альтернативу полимерным мембранам в топливных элементах

Коллективу ученых химического факультета и факультета наук о материалах МГУ  совместно с УдмФИЦ УРО РАН и Европейским центром синхротронного излучения удалось повысить селективность протонообменной мембраны на основе оксида графена с помощью электрохимического восстановления данного материала. Предложенный подход поможет создать углеродные мембраны с улучшенными характеристиками по сравнению с полимерными образцами для применения в топливных элементах и электролизерах. Результаты исследования поддержаны грантом Российского Научного Фонда № 22-23-00662 и опубликованы в журнале Carbon.


Оксид графена – слоистый двумерный материал на основе углерода и кислородных групп. Контролируя соотношение атомов углерода и кислорода в оксиде графена с помощью физических, химических или электрохимических методов, ученые могут  управлять его структурой и транспортными свойствами. С помощью подбора потенциала, электролита и времени восстановления удается управлять составом и структурой материала наиболее точно, поэтому лучше всего использовать электрохимические методы: “Мы часто встречаем в работах этот метод там, где оксид графена – основа для сенсоров и катализаторов, – рассказывает соавтор работы, м.н.с. факультета наук о материалах, к.х.н. Екатерина Чернова. Однако в другом перспективном направлении – мембранных технологиях – электрохимический вариант восстановления почти не используется. В то же время для изготовления мембраны всегда требуется тонкая настройка: необходимо не только получить заданный состав, но и избежать крупных дефектов в микроструктуре. Мы справились с этой задачей с помощью электрохимии”.


Протонообменная мембрана – это ключевой компонент топливных элементов. Она помогает разделить катодные и анодные процессы и переносит протоны от анода к катоду для получения электричества, воды и тепла путём электрохимической реакции. Обычно мембраны изготавливают из полимеров (классический пример - Nafion). Однако полимерные мембраны склонны к набуханию в водяных парах и растворах, а также подвержены деградации во времени, что существенно снижает избирательность протонного транспорта и ухудшает работу топливного элемента. Альтернативным решением могут стать мембраны на основе оксида графена: “Электрохимическое восстановление позволяет контролируемо уменьшать количество кислородсодержащих групп и, следовательно, управлять размером межслоевого пространства в мембранах оксида графена,-- поясняет Екатерина Чернова. – По мере снижения содержания кислородных групп скорость транспорта молекул воды через мембрану становится все медленнее. При этом остаточные кислородные группы продолжают обеспечивать  транспорт протонов на достаточно высоком уровне. В результате мы получили высокую избирательность транспорта протонов по отношению к воде, достигающую 1400:1 – это гораздо выше, чем у традиционных полимерных мембран. Такое соотношение транспорта протонов и воды также говорит о том, что нам удалось снизить риск проникновения низкомолекулярных соединений к электроду, и это может значительно повысить эффективность работы топливных элементов”. 


Авторы работы планируют продолжить исследования как фундаментальных, так и практических аспектов работы. Сейчас они изучают кинетику и механизм электрохимического восстановления на более глубоком уровне. В планах ученых попытаться использовать мембрану в метанольных топливных элементах. Также они планируют изучить температурную зависимость электронной проводимости и протонного транспорта в мембранах на основе оксида графена. Все это поможет повысить производительность мембран и использовать их в реальных топливных элементах и электролизерах. 


Автор текста: Екатерина Изергина/пресс-служба химического факультета МГУ

Ссылка на статью E.A. Chernova, V.A. Brotsman, K.E. Gurianov, Ar.A. Eliseev, R.G. Valeev, I.V. Kolesnik, A.P. Chumakov, D.I. Petukhov, An.A. Eliseev Proton transport in electrochemically reduced graphene oxide: Enhancing H+/H2O selectivity Carbon Volume 213, September 2023, 118288


https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118288


Автор фото: Юлия Чернова/пресс-служба химического факультета МГ