Международная группа ученых из России, Франции и Германии разработала ионообменные синтетические мембраны на основе амфифильных соединений, которые позволяют преобразовать энергию химической реакции в электрический ток. Разработка, описанная в журнале Physical Chemistry, Chemical Physics, может найти применение в топливных элементах, процессах разделения и очистки различных веществ. Работа проведена созданной в 2014 году лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ.
Топливные элементы состоят из отдельных ячеек, каждая из которых является гальваническим элементом, ближайшие родственники которой – аккумулятор и батарея. Батарейки преобразуют энергию реакции окислителя и восстановителя, прекращая работу с расходом этих реагентов, а аккумулятор может запасать приложенную к нему извне электроэнергию, преобразуя ее в химическую и отдавать ее, совершая обратное преобразование.
Топливная же ячейка, она же электрохимический генератор, получает необходимые для работы вещества извне. Эти вещества — восстановитель (обычно водород, метанол или метан) и окислитель, кислород. Подача вещества из стороннего источника позволяет получать электроэнергию от топливной ячейки до тех пор, пока ее детали сохраняют работоспособность и без перерывов на подзарядку электрическим током.
Основные элементы такого генератора – катод и анод, разделенные ионообменной мембраной.
Пример топливной ячейки, работающей на водороде и кислороде. Она преобразует химическую энергию не в тепло (как было бы в случае сжигания водорода в горелке), а в электроэнергию. Подобные устройства стояли на лунных кораблях “Аполлон” и космических челноках Space Shuttle и “Буран”. Изображение: R.Dervisoglu / Wikimedia, перевод пресс-службы МФТИ.
На катоде происходит диссоциация восстановителя – от молекулы водорода (или иного топлива) отделяется электрон и, соответственно, образуется положительно заряженный ион водорода, протон. Мембрана пропускает протоны, но задерживает электроны — эти частицы вынуждены идти «дальней дорогой», через внешнюю электрическую цепь. Только пройдя через эту цепь (то устройство, которое питает топливный элемент) они могу попасть на анод, где их уже ждут кислород и прошедшие через мембрану протоны для того, чтобы соединиться и образовать воду. Таким образом, вынужденные обходить мембрану электроны создают во внешней цепи ток, который можно использовать.
Зачем нужны топливные элементы и почему они пока не применяются массово
Топливные элементы потребляют то горючее, которое можно было бы сжечь в обычных двигателях внутреннего сгорания с образованием все тех же основных продуктов — водяного пара в случае водорода и водяного пара с углекислым газом в случае органического топлива. Однако перед традиционным двигателем топливный элемент имеет как минимум два преимущества: во-первых, процесс идет при пониженной температуре и без ряда вредных побочных выбросов вроде оксидов азота; во-вторых, топливный элемент может иметь гораздо более высокий КПД. Если бензиновый или дизельный электрогенератор ограничен термодинамическими законами (они принципиально не дадут получить, к примеру, 80% эффективности) — то на топливные ячейки эти ограничения не распространяются.
При решении ряда технологических проблем, топливные элементы имеют хорошие шансы вытеснить как минимум двигатели внутреннего сгорания. Однако предварительно нужно наладить специальную инфраструктуру (тот же водород нужно где-то хранить, для него требуются особые заправочные станции, трубопроводы, рассчитанные на очень высокие давления топливные баки) и избавить сами топливные элементы от ряда недостатков.
Подбор правильной мембраны играет если не ключевую, то весьма важную роль в совершенствовании топливных элементов — материал, из которого она сделана, должен быть по возможности недорогим, химически стойким, технологичным и при этом поры в нем должны обеспечивать должную избирательность. Такие материалы химики и физики ищут не простым перебором множества веществ вслепую, а целенаправленными экспериментами по созданию наноструктур с заранее заданными свойствами.
Молекулярная инженерия
Ученые из МФТИ (Ксения Графская, аспирантка кафедры физики организованных структур и химических процессов; Вячеслав Некипелов, доктор химических наук, декан ФМХФ), Института проблем химической физики РАН, МГУ, Мюлузского института материаловедения и Аахенского института интерактивных материалов имени Лейбница научились складывать из определенных молекул поры для мембраны топливного элемента так, чтобы отверстия имели именно тот диаметр, который требуется для оптимальной работы устройства.
Молекулы с рабочими именами «A-Na» и «Azо-Na», о которых идет речь — это перспективные вещества, относящихся к классу бензилсульфонатов. Они имеют несколько клиновидную форму (см. рисунок выше) и могут самостоятельно складываться (самособираются) в надмолекулярные структуры, то есть в сложно организованные группы из многих молекул. В зависимости от подобранных учеными условий, молекулы образуют диски, которые формируют колонны с ионным каналом внутри.
Подобная самосборка сложных структур из отдельных молекул возможна за счет их электрических свойств. На одном конце у этих молекул находится полярная, то есть обладающая электрическим зарядом химическая группа: и в растворе она самопроизвольно разворачивается в сторону заряженных молекул воды. А на другом конце изучаемых молекул – неполярные углеводородные «хвосты», которые опять-таки в силу своих электрических свойств от молекул воды стараются держаться подальше: схожий механизм обуславливает формирование обычной мыльной пленки, клеточной мембраны и капель жира на поверхности бульона.
Предсказать образование таких дисков с порами и цилиндров стало возможным исходя из информации о строении изучаемых бензилсульфонатов, их геометрии и физико-химических свойств. Используя эту информацию, ученые сначала математически смоделировали свойства сложных надмолекулярных структур, образуемых «A-Na» и «Azо-Na» и только потом приступили к экспериментам. В ходе которых они получали различные формы ионных каналов, выдерживая вещества при определенной влажности и температуре, а затем облучая их ультрафиолетом для полимеризации.
Созданные таким образом полимеры протестировали на предмет избирательной проницаемости ионов и это позволило выяснить то, какие именно условия синтеза полимерной мембраны лучше всего подходят для изготовления потенциальных топливных ячеек.
От ускорителя к молекулам
Современный подход к получению упорядоченных на молекулярном уровне структур предполагает не только компьютерное моделирование и последовательный подбор условий для синтеза нужных полимеров. В наши дни исследователи также контролируют результат своей работы прямым наблюдением за формой полученных ими молекул или надмолекулярных структур.
Структура полученных комплексов была подтверждена при помощи рентгеноструктурного анализа и синхротронного источника излучения. Этот метод используется там, где нужно узнать строение чего-либо на масштабе, недоступном для оптического микроскопа: к примеру, размер синтезированных учеными нанопор составлял лишь несколько нанометров, в десятки раз меньше длины волны видимого света.
Разные конфигурации молекулярных пор и результат рентгеноструктурного анализа.
В Европейском центре синхротронного излучения во французском Гренобле полимеры исследовали при помощи рентгеновского излучения. Рентгеновские лучи рассеялись на образцах и анализ полученной при этом дифракционной картины позволил установить точный размер пор новых полимеров.
Размер поры напрямую связан с эффективностью работы топливного элемента. Избирательная проницаемость этих пор, напоминающих диафрагму фотоаппарата, определяет эффективность отсеивания ионов, а значит и эффективность преобразования энергии в топливной ячейке.
Глобальное потепление и молекулярная инженерия
Новое исследование, в котором приняли активное участие специалисты Физтеха, показывает не только то, каким образом можно получить из определенных молекул перспективный материал и какие методы при этом используются. Оно позволяет взглянуть с неожиданной стороны на проблему, которая на первый взгляд весьма далека от органической химии или рентгеноструктурного анализа — речь идет о глобальном потеплении. Явлении, которое недавно снова упоминалось в новостях из-за подписанного в Париже международного соглашения о сокращении выбросов углекислого газа.
На сегодняшний день научное сообщество практически единодушно признает то, что средняя температура на планете растет и происходит это из-за увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере. Этот газ, задерживающий тепло, выбрасывается в первую очередь при сжигании органического топлива — поэтому эффективной мерой против дальнейшего роста температуры был бы переход на технологии, позволяющие обойтись без нефти, угля и газа. Однако радикально перестроить практически всю технологическую инфраструктуру человечества невозможно без приемлемой альтернативы двигателям внутреннего сгорания: либо в виде электрических аккумуляторов и электромоторов, либо в виде топливных элементов и тех же электродвигателей.
Топливные элементы как таковые, безусловно не решат проблему роста температуры на планете сами по себе. Но они являются частью возможного решения: а это значит, что и самоорганизацнадмолекулярных структур из двух перспективных веществ с кодовыми именами «A-Na» и «Azо-Na» тоже может рассматриваться как часть глобальной задачи. Даже если это не заявляется авторами того или иного открытия напрямую, многие научные результаты способны повлиять на жизнь людей в том числе и весьма неожиданным образом.
