Ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) совместно с коллегами из других стран синтезировали новый трехмерный пористый полимер, который способен восстанавливать кислород, в результате чего выделяется электрохимическая энергия.
В отличие от современных топливных элементов, активность которых блокируется из-за образующегося в ходе их работы метанола, новый материал обладает устойчивостью к его воздействию. Такие свойства обеспечивают огромный потенциал использования подобных полимеров для получения энергии при работе двигателей и впоследствии помогут смягчить энергетический кризис в обществе. Результаты исследования опубликованы в журнале Dyes and Pigments.
Ученые выяснили, что синтезированный полимер проявляет окислительно-восстановительную активность за счет атомов азота, входящих в его состав. Кислород, контактируя с этим веществом, забирает электроны (то есть восстанавливается), превращается в воду, и происходит выделение энергии. Исследователи предложили механизм данной реакции, состоящий из четырех последовательных стадий.
«Наличие азотных центров обеспечивает альтернативный подход к восстановлению кислорода благодаря переключению азота из степени окисления 3+ в 5+ и назад. Но это совершенно другой механизм, и по энергетике он чаще всего проигрывает традиционно используемым переходным металлам», — рассказывает Данил Бухвалов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры теоретической физики и прикладной математики УрФУ.
В настоящее время непонятно, насколько будет успешно применение каталитических полимеров в энергетике. Выгода их использования в том, что в состав этих материалов входят распространенные элементы, такие как азот, водород, углерод и кислород. Каталитические полимеры пористые и имеют достаточно большую площадь активной поверхности, но пока недостаточно эффективны.
«Открывается огромное поле для работы — вполне вероятно, что из множества видов полимерных материалов с азотными центрами удастся выбрать такой, который по эффективности будет сравним с переходными элементами и окажется химически устойчив. Трудность в том, что при повышении каталитической активности вещества уменьшается его стабильность. Другая проблема полимеров — их изготовление. Это многоступенчатый процесс, и не факт, что он будет экономически оправдан», — подводит итог Данил Бухвалов.
Работа выполнена совместно с сотрудниками Университета Ханьянг (Южная Корея), Нанкинского лесотехнического университета (Китай) и Технологического института Веллуру (Индия).
Топливные элементы — это ячейки, в которых за счет химической реакции образуется энергия. Их устройство и функционирование похожи на принцип работы батарейки. Последние имеют ограниченный запас химических реагентов, и в них не подаются вещества извне.
Топливные элементы являются хорошей альтернативой традиционным методам выработки энергии. Они практически не загрязняют атмосферу и не вредят окружающей среде. Сейчас идут активные исследования в области применения полимеров в качестве мембран в топливных ячейках, катализирующих химическую реакцию. Для них метанол является большой проблемой. Со временем он образуется из полимерной мембраны и блокирует активные центры, в результате чего сильно снижается скорость реакции. По сравнению с распространенными и достаточно эффективными органическими и неорганическими катализаторами синтезированный сотрудниками УрФУ полимер оказался устойчивым к действию метанола и при его добавлении не менял своей активности.
УрФУ — участник Проекта 5-100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020 году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования.