Физики из США на основании теоретических расчетов показали, что после создания на графане одномерной «дорожки» из гидроксильных групп, такая система может транспортировать вдоль дорожек протоны, не пропуская при этом электроны. В отличие от других систем с тем же предназначением, графановые протонные мембраны в процессе транспорта протонов не нуждаются в воде, а значит могут работать при более высоких температурах. Это обеспечивает лучшую химическую активность электродов, эффективность теплоотвода и делает систему менее чувствительной к чистоте топлива. Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Из-за большого количества вредных выбросов, человечество пытается найти альтернативу двигателям внутреннего сгорания, использующих в своей работе бензин и другие продукты, созданные на основе нефти. Один из вариантов — водород. С экологической точки зрения водородные топливные элементы выглядят привлекательно из-за того, что на выходе они дают только воду.

Принципиальная схема водородного топливного элемента изображена на рисунке. Водород поступает на анод и теряет электрон (напомним, водород состоит из протона и электрона). Затем новообразованные протоны мигрируют на катод через мембрану, где они соединяются с кислородом и электронами, образуя воду. Разница потенциалов между анодом и катодом, вызванная различной химической энергией связи в исходных газах и воде обеспечивает преобразование энергии химических связей в электрическую. Эффективность устроенных таким образом современных водородных топливных элементов составляет 40–60 процентов.

Графан с добавлением ОН-групп. Черные – атомы углерода, красные – кислорода, серебристые и синие – водород. Abhishek Bagusetty et al. / Physical Review Letters 2017

Принципиальная схема работы водородного топливного элемента. econet.ru

Графан — это двумерный материал, который создается из графена посредством присоединения атомов водорода. В графане с каждым атомов углерода связан атом водорода, причем эти атомы образуют две плоскости, параллельных изначальному слою графена. В своей работе авторы с помощью моделирования показали, что если в графане создать цепочку гидроксильных групп (напомним, гидроксильная группа — это соединение кислорода и водорода с одним валентным электроном), то по такой цепочке смогут «прыгать» протоны. Расположив лист графана таким образом, что один конец листа соединен с анодом, а второй — с катодом, можно получить протонную мембрану, не пропускающая электроны.

В своей работе ученые исследовали различные аспекты явления протонной проводимости с помощью различных методик моделирования. Так, чтобы подробно разобраться в том, как именно протон двигается по гидроксильной дорожке, они создали 2 модели, одну с четырьмя гидроксильными группами, вторую с семью. Схематическое представление движения протона в части графановой плоскости с четырьмя ОН-группами можно видеть на картинке. В процессе транспортировки водород в ОН-группах вращается вокруг оси, перпендикулярной листу графана, передавая протон между ОН-группами.

(a) – начальное состояние (b) – (d) -промежуточные (e) – конечное. Стрелками обозначены вращения OH-групп. Abhishek Bagusetty et al. / Physical Review Letters 2017

Результаты моделирования показали, что расстояния между слоями графана в 20 ангстрем достаточно, чтобы они не взаимодействовали друг с другом. Кроме того, из-за отказа от воды, химические реакции на катоде протекают быстрее. Это особенно важно из-за того, что пока один протон на конце цепочки «ждет» свою молекулу кислорода, вся «очередь» не может через него перепрыгнуть, а значит движение протонов по дорожке тормозится. Также ученые отмечают, что графан менее подвержен деформациям, чем ранее предложенные безводные протонные мембраны. Это положительно сказывается на скорости транспортировки протонов от между анодом и катодом, что в свою очередь увеличивает мощность топливного элемента. Также они предсказывают, что безводные фильтры, работающие при более высоких температурах, будут не так чувствительны к чистоте водорода.

В будущем ученые планируют экспериментально исследовать графановые протонные мембраны, а также рассмотреть двумерную систему из гидроксильных групп.

Автор: Чепилко Александр