Научные коллективы Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и физического факультета Новосибирского государственного университета продемонстрировали впечатляющие результаты в исследовании и совершенствовании протонно-обменных мембран — ключевого элемента топливной электрохимической ячейки. Современные прорывы в этой области открывают путь к альтернативной энергетике, давая надежду на избавление от зависимости от углеводородов и решение вопросов эффективного хранения энергии.
Новый взгляд на топливные электрохимические ячейки
Топливные электрохимические ячейки на водороде и кислороде считаются перспективным решением для хранения и передачи энергии. Их главные достоинства — экологичность, высокая эффективность и способность работать в различных устройствах, включая мобильные гаджеты и аккумуляторные системы. Классические аккумуляторы со временем теряют способность накапливать заряд из-за старения материалов. В то время как ячейка на базе протонно-обменной мембраны позволяет хранить энергию значительно дольше и надежнее, однако ранее задачей оставалось создание достаточно прочного и долговечного материала для работы в таких условиях.
Протонно-обменная мембрана: шаг вперед благодаря ИК СО РАН и НГУ
Революционные технологии изготовления топливных ячеек базируются на мембранах, способных избирательно проводить ионы водорода. Это позволяет превратить химическую энергию в электрическую практически без вредных выбросов и с высокой надежностью. Прототип мембраны с использованием металло-органических каркасов был первоначально создан в зарубежной лаборатории, но фундаментальные изменения внесли новосибирские исследователи. С помощью ядерного магнитного резонанса они детально изучили внутреннюю структуру мембраны на основе редкоземельных элементов и раскрыли молекулярные механизмы передачи протонов.
Результаты получились впечатляющими: благодаря новым решениям удалось повысить проводимость мембраны в 100 раз. Такой скачок открывает широкие возможности для внедрения разработки в современные энергетические системы, делая их долговечнее и эффективнее.
Принцип работы и уникальные свойства мембраны
В сердце топливной электрохимической ячейки находятся газовые баллоны с водородом и кислородом. На аноде образуются ионы водорода, которые могут пройти только через специализированную мембрану. Они, попадая на катод, вступают в реакцию с кислородом, образуя воду и высвобождая электроэнергию. Вся система защищена от проникновения посторонних веществ, гарантируя стабильную работу ячейки. Главные требования к мембране — высокая устойчивость к влаге, химическая прочность и способность служить длительное время без потери эффективности.
Особое значение имеют свойства материала, отвечающего за движение протонов. Новосибирские ученые экспериментально обнаружили, за счет каких структурных особенностей мембрана становится особо проводящей, и предложили принципиально новый способ последующей обработки поверхности. Это позволяет увеличить число носителей заряда, ускоряя процессы передачи и существенно снижая энергетические потери.
Возможности новой энергетики: надежность, экологичность и независимость
Благодаря усовершенствованным мембранам топливные ячейки могут стать опорной технологией для хранения электричества без ограничений по сроку службы. Разделенное хранение компонентов и отсутствие сложного технического обслуживания обеспечивают долгий срок службы устройств и минимальные издержки на поддержание работоспособности. В перспективе такие системы могут полностью заменить дизельные и бензиновые генераторы — особенно там, где необходима автономная и чистая электроэнергия.
Еще один неоспоримый плюс — мембраны производятся из доступных и безопасных для окружающей среды материалов. Это дополнительный шаг к экологичной энергетике, ведь топливные ячейки практически не нуждаются в замене, утилизации и не формируют опасных отходов.
Перспективы внедрения и применения инновационных мембран ИК СО РАН и НГУ
Внедрение новых мембранных материалов способно значительно изменить подход к построению современных энергоустановок. Они найут применение в транспорте, портативной электронике, возобновляемой энергетике и даже в крупных промышленных энергетических системах. Такой научный прорыв укрепляет ведущие позиции российских исследовательских центров на международной арене и приближает общество к эпохе экологически чистой, эффективной и практически неисчерпаемой энергетики.
Благодаря совместным усилиям специалистов из ИК СО РАН и НГУ, технология протонно-обменных мембран выходит на новый уровень — и это дает нам отличные шансы войти в число лидеров мировой зеленой энергетики.
Изображение: Фотобанк Freepik
Источник: scientificrussia.ru