Новые нанокомпозиционные материалы на основе перфторированных мембран, модифицированных полисурьмяными кислотами, для низкотемпературных топливных элементов

На сегодняшний день скрининг твердых электролитов для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) -чрезвычайно важное стратегическое направление, имеющее перспективы развития не только за рубежом, но и в России. При этом принципиальное значение имеет разработка государственной программы по развитию водородной энергетики, которая должна стимулировать внедрение водородных технологий и содействовать развитию рынка водородной энергетики в России. Поставленная задача в рамках настоящего проекта обусловлена непростой сложившейся экологической ситуацией в мире, связанной с большим "углеродным следом" существующих энергоносителей. В связи с этим переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике позволит отказаться от использования углерода в целом ряде секторов. Одним из перспективных способов решения научной проблемы является разработка новых эффективных наноматериалов и технологий для водородной энергетики, в частности, для низкотемпературных топливных элементов (ТЭ). На сегодняшний день на мировом рынке им соответствует свыше 90% продаж. Однако несмотря на высокий спрос, их практическое применение ограничено низким интервалом рабочих температур и необходимостью поддерживать высокую влажность при работе в ТЭ. Существующие недостатки препятствуют скорейшему развитию крупномасштабного производства ТЭ и их повсеместному внедрению. В связи с этим в России необходима разработка новых, более дешевых, мембранных материалов, обеспечивающих их эффективную работу при пониженной влажности и повышенной температуре, а также катализаторов, отличающихся большей толерантностью к примесям СО в водороде [А.Б. Ярославцев. Топливные элементы в России: Современное состояние и материалы]. Научная идея проекта состоит в реализации высокой ионной проводимости в межфазном граничном слое композитов за счет обогащения этого слоя подвижными носителями заряда в результате ионного обмена между компонентами композита. Для всестороннего изучения этой возможности и ее потенциала в смысле синтеза новых неорганических протонных проводников необходимо провести исследования этого эффекта для широкого набора составов композита с участием гидрофосфатов и производных полисурьмяной кислоты, на которых авторами проекта был обнаружен этот эффект. Новым в проекте является применение комплексного подхода (модифицирование мембран типа Нафион нанодисперсными частицами неорганического протонного проводника) по созданию новых ионообменных нанокомпозиционных материалов, обладающих высокой протонной проводимостью, способных работать при средних температурах и пониженной влажности в топливных элементах и других электрохимических преобразователях и накопителях энергии. При этом известно, что использование модификаторов с кислотной поверхностью обеспечивает ряд преимуществ. Вполне обоснованным является и выбор объекта исследования - полисурьмяной кислоты (ПСК) - модифицирующей добавки, известной в литературе как хороший ионообменник и протонный проводник. Поскольку ПСК и соединения на ее основе практически не растворимы в воде, это не может привести к вымыванию их из мембран при работе в различных устройствах. С этой точки зрения для полимерных протонпроводящих мембран представляется перспективным использование частиц с модифицированной поверхностью, содержащей дополнительные атомы полисурьмяных кислот для улучшения сродства частиц к мембране. При реализации задач проекта научным коллективом планируется получить новые данные о способах синтеза нанокомпозиционных материалов, модифицированных неорганическими протонпроводящими соединениями, и представлениях о протонном транспорте в таких материалах.