Ученые создали наноструктурированные полимерные мембраны для топливных элементов, протонная проводимость которых многократно превышает проводимость обычных полимеров, сообщается в статье исследователей, опубликованной в Nature Chemistry.

Рис 1. Принципиальная схема водородной топливной ячейки. (Источник)

Одной из важнейших составляющих топливного элемента является протонная мембрана, которая разделяет потоки протонов и электронов, в результате чего электроны создают ток во внешней цепи (рис 1). Сила тока, а значит и мощность, которую может выдать топливный элемент определяется как раз протонной проводимостью этой мембраны, по этому повышение этого показателя является важным направлением развития данной технологии.

Новый шаг в этом направлении сделала исследовательская группа Санкарана Таюманавана (Sankaran Thayumanavan) из Массачусетского университета в Амхерсте, США. Таюманавану удалось создать полимерные материалы, придание которым трехмерной наноструктуры позволяет увеличить протонную проводимость исходных компонентов на три порядка: в тысячу раз.

«Мы обнаружили, что сочетая два различных типа полимеров, обладающих и не обладающих протонной проводимостью в самоорганизующейся наноструктуре полимера, мы можем на три порядка увеличить проводимость такого материала, по сравнению с обычным объемным материалом без нанотруктуры» — цитирует Таюманавана пресс служба университета.

Таюманавану удалось создать полимерные материалы, придание которым трехмерной наноструктуры позволяет увеличить протонную проводимость исходных компонентов на три порядка: в тысячу раз.

Идея подобных материалов была почерпнута учеными из биологических белковых систем, осуществляющих перенос протонов в организме животных, растений и людей. Здесь проводящие белковые каналы обладают огромной скоростью переноса протонов и представляют собой сегрегации проводящих белков в матрице из биологических тканей, не обладающих протонной проводимостью.

«Мы предположили, что, как и подобные белки, определенные комбинации и формы различных полимеров, образующих в готовом материале проводящие и непроводящие области, могут обладать протонной проводимостью более высокой, чем однородные материалы», – прокомментировал Таюманаван.

Свою гипотезу ученые подтвердили в экспериментальной работе, создав серию разных по свойствам органических молекул, формирующих в результате химического взаимодействия так называемый «блоксополимер» – полимерный материал, состоящий из чередующихся цепочек молекул различных типов.

«Судя по всему, нанометровые масштабы упаковки полимерных доменов, не взаимодействующих друг с другом, позволяет добиться увеличения проводимости конечного материала в 1 тысячу раз»

Авторы исследования намерены применить свой принцип к серии других типов протон-проводящих материалов с целью добиться максимальной протонной проводимости при комнатной температуре.