НОВОСТИ О ФТОРОПЛАСТАХ

 

Команда из Центра Гельмгольца в Берлине (HZB) и группа исследователей из компании 3М изучали работу протонно-обменной мембраны из так называемых молекул PFIA (перфторимидной кислоты). С помощью экспериментов с источником синхротронного ИК излучения установки BESSY II они смогли показать, как молекулы PFIA даже при низкой влажности впитывают воду и обладают транспортными свойствами. Это объясняет, почему мембраны из PFIA, в отличие от наиболее часто используемых мембран типа Nafion, хорошо работают даже при высоких температурах и в сухих условиях.

Топливные элементы преобразуют химическую энергию водорода или метана в электрическую энергию. Эта технология не только эффективна, но и экологически чиста, потому как "выхлопом" в ней является только вода. В сущности, топливный элемент содержит ионообменную протон проводящую мембрану, через которую только крошечные ионы водорода (протоны) мигрируют по направлению к катоду. Атомы же кислорода и атомы водорода ею блокируются. До сих пор в топливных элементах применяются прежде всего мембраны Nafion, которые, однако функционируют только при определенной влажности и температуре ниже примерно 90 ^оС. Это обстоятельство ограничивает области применения топливных элементов.

Поэтому разыскиваются альтернативные вещества. В течение вот уже некоторого времени компания 3М имеет разработанную недорогую протонно-обменную мембрану, сокращенно называемую PFIA: PFIA представляет из себя перфторимидную кислоту, которая в виде мембраны может быть также использована в топливных элементах. Обе молекулы (Nafion и PFIA) имеют гидрофобную цепь-«позвоночник», к которой, прикрепляются гидрофильные боковые цепи. В то время как боковые цепи в NAFION только предлагают место для протонов, боковые цепи PFIA уже имеют два таких стыковочных места. Таким образом, на каждой боковой цепи имеется дополнительное пространство для протона. Кроме того, молекулы PFIA самостоятельно образуют наноразмерные каналы, в которых вода может быть связана или обладать возможностями транспортировки. Но именно этот менеджмент водными ресурсами в мембране PFIA ранее не был известен. Управление содержанием воды имеет решающее значение для работы топливного элемента, которое никогда не должно приводить к переувлажнению мембраны, но и никогда не должно оставлять её сухой.

Рис. Гидрофобные молекулы PFIA (черная линия) выстраиваются таким образом, что гидрофильные боковые цепи получаются обращенными друг к другу и образуют наноразмерные каналы: На каждой боковой цепи имеются две док-точки (желтые и красные круги) для ионов водорода (H +). Эти места состоят из кислотных групп.

 

Недавно группа HZB впервые исследовала образцы PFIA фирмы 3М при различной влажности и температуре. Они при этом объединили инфракрасные спектроскопические методы исследований на установке BESSY II и оценивали данные с помощью сложных статистических анализов.

"Мы хотели лучше понять поведение молекул воды и воды внутри наноканалов мембраны, особенно при переходе к более сухим условиям", - объясняет д-р Лильяна Пускар, первый автор статьи, которая появилась в специальном журнале Physical Chemistry. Экспериментальные данные показывают очень большие различия в управлении содержанием влаги между NAFION и PFIA, особенно при низкой влажности. "Мы ясно видим, что PFIA работает лучше и для удержания воды, и в поглощении воды," сказала Пускар.

Исследователи даже смогли расшифровать, как мембрана из PFIA хранит воду. Для получения дополнительных мест удерживания протонов на боковых цепях выстраивается из молекул воды сеть водородных связей, на которой интегрируется больше молекул воды. Эти результаты позволили оптимизировать такие мембраны таким образом, что топливные элементы по-прежнему могли работать эффективно даже при более высоких температурах и более низкой влажности.

"В этой работе мы вместе с 3M достигли большого прогресса знаний о водном менеджменте в альтернативных протонно-обменных мембранах. Мы по-прежнему расширяем экспериментальные возможности установки BESSY II для изучения широкого спектра энергетических материалов в условиях эксплуатации", говорит профессор д-р Эмад Азиз, который руководит Центром Гельмгольца в Берлине.

Ранее опубликованный материал по теме:

Фторполимерные мембраны типа Nafion планируется использовать в электротранспорте Санкт-Петербурга

Эффективная солнечно-водородная энергетическая система