Японские ученые смогли снизить деградацию топливных элементов с помощью графенового фильтра

Цукуба, Япония, 9 ноя, ИА Neftegaz.RU. Ученые японского университета Tsukuba анонсировали исследование структур, которые препятствуют миграции молекул топлива за счет электроосмотического сопротивления и стерических препятствий.
Результаты опубликовали в сентябрьском номере журнала Advanced Science.

Зачем нужно исследование?

Перспективной технологией снижения выбросов CO₂ является электрохимическая реакция восстановления CO₂, которая использует возобновляемую энергию для производства энергоносителей, включая метанол и муравьиную кислоту.
Эти энергоносители могут быть непосредственно использованы в качестве химического топлива для топливных элементов (ТЭ), не требуя процессов дегидрирования.
Эти ТЭ называются топливными элементами с прямым использованием метанола (DMFC) и топливными элементами с прямым использованием муравьиной кислоты (DFAFC).
В этих ТЭ требуется высокая протонная проводимость и низкий переход молекул топлива.

Nafion является стандартной мембраной, используемой в ТЭ, поскольку обладает высокой протонной проводимостью (протонная проводимость: 10-100 мС/ см^-1 и поверхностная протонная проводимость: 0,2−3,3 С/см^-2).
Однако мембрана Nafion демонстрирует большое переходное движение от анодной камеры к катодной (метанол: 1,0−5,0 × 10^-6см²с^-1; муравьиная кислота: 0,68×10^-6 см²с-¹), что препятствует практическому использованию DMFC и DFAFC.
Переход молекул топлива в полноэлементной системе вызван электрическим осмосом и градиентами давления / концентрации между катодной и анодной камерами.
Если по-простому, то ТЭ вырабатывают электричество за счет переноса протонов, но обычные протонообменные мембраны страдают от явления кроссовера, когда молекулы топлива также переносятся между анодами и катодами.
После этого молекулы топлива излишне окисляются, а электроды деактивируются.

Простым способом подавления перехода является увеличение толщины мембраны, но этот подход имеет 2 недостатка:

• увеличение толщины мембраны неизбежно увеличивает размер блоков ТЭ и связанные с этим материальные затраты;
• внутреннее сопротивление переносу протонов через мембрану увеличивается с увеличением толщины мембраны, что снижает энергоэффективность.

Для реализации передовой технологии ТЭ необходимы протонообменные мембраны с высокой протонной проводимостью и низким уровнем перехода молекул топлива.
Селективный транспорт протонов, который происходит путем блокирования транспорта молекул топлива через протонообменную мембрану, имеет решающее значение для подавления перехода при сохранении высокой протонной проводимости.

Баланс соотношения кроссовер - проводимость

Дерзкие японские исследователи решили оптимизировать соотношение кроссовер-проводимость.
Пытались многие.
У японцев, похоже, получилось.
Снизить толщину мембраны можно путем улучшения селективности мембран к молекулам и ионам в клетке,путем установки металлоорганических каркасов (MOF), графена, и других 2D наноматериалов на поверхности мембраны Nafion:

• Графеновые листы блокируют проникновение крупных молекул через решетку графена, позволяя протонам проникать внутрь.
• Комбинация нафиона и графена успешно подавляла кроссовер молекул топлива, таких как метанол и муравьиная кислота.

Однако такие мембраны не соответствовали минимальным требованиям протонная проводимость в ТЭ (т.е. 10% протонной проводимости, ≈0,1 С/см^-1 или 1000 мС/см^-2, мембран Nafion).
Результаты показали:

• подавление эффекта кроссовер на 89% в метаноле и на 80% в формиате в этом графене по сравнению с этим явлением в самоорганизующейся мембране Nafion;
• снижение протонной проводимости на 60%.

Благодаря стерическим помехам (влиянию пространственного объема молекулы на ход химической реакции), создаваемым функциональными группами, графеновая мембрана успешно подавляет явление кроссовера, блокируя проникновение молекул топлива, сохраняя при этом высокую протонную проводимость.
А если просто наложить графеновую мембрану на обычную протонообменную мембрану, то можно подавить явление кроссовера.
Расчеты по теории функционала плотности (DFT) показали, что графен, содержащий сульфаниловые функциональные группы, увеличивает энергетический барьер транспорта метанола и муравьиной кислоты и обеспечивает скачкообразный путь проведения протонов через мембраны.

Таким образом, это исследование способствует разработке усовершенствованных топливных элементов в качестве новой альтернативы топливным элементам водородного типа.