Коллективу учёных 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 электролизёрах. Результаты исследования поддержаны грантом Российского научного фонда 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, учёные могут управлять его структурой и транспортными свойствами. С помощью подбора потенциала, электролита и времени восстановления удаётся 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, – рассказала соавтор работы, младший научный сотрудник факультета наук о материалах МГУ 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, – пояснила Екатерина Чернова. – По мере снижения содержания кислородных групп скорость транспорта молекул воды через мембрану становится всё 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 учёных попытаться использовать мембрану в метанольных топливных элементах. Также они планируют изучить температурную зависимость электронной проводимости и протонного транспорта в мембранах на основе оксида графена. Всё это поможет повысить производительность мембран и использовать их в реальных топливных элементах и электролизёрах.