Ученые создали наноструктурированные полимерные мембраны для топливных элементов, протонная проводимость которых многократно превышает проводимость обычных полимеров, сообщает РИА «Новости» со ссылкой на публикацию в Nature Chemistry.
Это открытие может найти свое применение в создании коммерчески выгодных источников экологически чистой энергии.
«Мы обнаружили, что сочетая два различных типа полимеров, обладающих и не обладающих протонной проводимостью в самоорганизующейся наноструктуре полимера, мы можем на три порядка увеличить проводимость такого материала, по сравнению с обычным объемным материалом без наноструктуры», - сказал Санкаран Таюманаван, один из ведущих авторов исследования, слова которого приводит пресс-служба Массачусетского университета в Амхерсте, США.
Несмотря на то, что технологии топливных элементов развиваются уже довольно давно, их повсеместное использование сдерживается высокой стоимостью при невысокой мощности и довольно быстрой деградации материалов. Кроме того, для своей работы подобные источники энергии требуют повышенных температур и высокой влажности, что неудобно для использования в быту.
Высокие температуры и влажность необходимы для повышения проводимости так называемых протонных мембран - одного из ключевых компонентов топливных элементов. Сам топливный элемент представляет собой два электрода, на одном из которых, в результате каталитического химического превращения, молекула водорода H2 разделяется (диссоциирует) с образованием двух химических частиц протонов Н+ и электронов. Электроны направляются во внешнюю электрическую цепь для питания какого-либо электроприбора, тогда как протоны по протонной мембране, не проводящей электричества, переносятся ко второму электроду. Здесь протоны и электроны воссоединяются вновь и реагируют с молекулами кислорода, образуя экологически чистый продукт - воду.
Таюманавану удалось создать полимерные материалы, придание которым трехмерной наноструктуры позволяет увеличить протонную проводимость исходных компонентов на три порядка: в тысячу раз.
Идея подобных материалов была почерпнута учеными из биологических белковых систем, осуществляющих перенос протонов в организме животных, растений и людей. Здесь проводящие белковые каналы обладают огромной скоростью переноса протонов и представляют собой сегрегации проводящих белков в матрице из биологических тканей, не обладающих протонной проводимостью.
«Мы предположили, что, как и подобные белки, определенные комбинации и формы различных полимеров, образующих в готовом материале проводящие и непроводящие области, могут обладать протонной проводимостью более высокой, чем однородные материалы», - прокомментировал Таюманаван.
Свою гипотезу ученые подтвердили в экспериментальной работе, создав серию разных по свойствам органических молекул, формирующих в результате химического взаимодействия так называемый «блок-сополимер» - полимерный материал, состоящий из чередующихся цепочек молекул различных типов.
«Судя по всему, нанометровые масштабы упаковки полимерных доменов, не взаимодействующих друг с другом, позволяет добиться увеличения проводимости конечного материала в 1 тысячу раз», - подытожил ученый.
Авторы исследования намерены применить свой принцип к серии других типов протон-проводящих материалов с целью добиться максимальной протонной проводимости при комнатной температуре и не зависящей от влажности воздуха.
