Создание новых протон- и анионпроводящих мембранных материалов для водородной энергетики и решения экологических задач

Большая часть антропогенных выбросов диоксида углерода, которые считают причиной глобального потепления, связана с производством энергии, в том числе и для транспортных средств. Это определяет тенденцию к развитию возобновляемой энергетики. Повышенное внимание к водородной энергетике обусловлено возможностью ее использования для автономного энергоснабжения, обеспечения работы транспортных средств и в качестве накопителей энергии, без которых невозможно обеспечить постоянное энергоснабжение за счет энергии солнца, ветра. Электролиз воды с использованием возобновляемых источников энергии является самым экологически чистым методом получения водорода. Программа развития водородной энергетики в России направлена как на производство водорода, так и разработку высокоэффективных устройств, предназначенных для выработки электроэнергии из водорода, – топливных элементов (ТЭ). В этом направлении в настоящий момент активно работает целый ряд ведущих российских компаний. Наиболее распространенными являются ТЭ на основе полимерных протонпроводящих мембран, огромное внимание уделяется и ТЭ на анионообменных мембранах. Не менее важной экологической проблемой является дефицит пресной воды. Использование метода электродиализа позволяет получать питьевую воду из морской без дополнительной многоступенчатой подготовки последней, как в случае обратного осмоса; а также выделять ценные компоненты из сточных вод производств и сельского хозяйства с последующим их повторным использованием. Решение экологических задач невозможно и без внедрения сенсорных технологий. Но для реализации перечисленных технологий необходимы ионообменные мембраны, производство которых в России испытывает значительные трудности. Все это делает актуальным проведение исследований по созданию новых ионообменных мембран с улучшенными характеристиками. Проект направлен на разработку новых типов катионо- и анионообменных мембран и на решение комплексных проблем, связанных с созданием новых производственных технологий для выработки, сохранения и передачи энергии на основе возобновляемых ресурсов, а также на снижение антропогенных нагрузок на окружающую среду и переход к более эффективному использованию природных ресурсов. Планируется разработать подходы для получения мембранных материалов с улучшенными транспортными и физико-химическими характеристиками. Основными подходами для получения таких материалов будут разработанные авторами данного проекта методы радиационно-индуцированной прививочной полимеризации и заполнения пор, которые предполагают использование сплошных или высокопористых полимерных пленок, в которые можно внедрить новый мономер с прививкой на макромолекулы исходной облученной пленки или путем его полимеризации в пористых участках полимерной мембраны. В качестве основы для ионообенных мембран на основе пористых пленок будут использоваться разрабатываемые в Томском политехническом университете нетканые мембраны, сформированные из ультратонких волокон фторированных полиолефинов методом электроформования, которые характеризуются высокими прочностью и пористостью. Основным материалом основы выбраны фторполимеры, обладающие уникальным сочетанием высокой химической и термостойкости. Внедряемый мономер может сразу содержать функциональные группы или возможно их формирование в готовой пленке. Для интенсификации транспортных свойств коммерческих мембран будут использованы развиваемые в нашей лаборатории подходы по модификации их поверхности или объема. Будут также использованы и подходы по созданию мембран, в матрице которых сформированы металл-полимерных каналы для высокоселективного транспорта ионов. Наиболее перспективные образцы будут проходить апробацию в топливных элементах электродиализных системах для водоочистки и разделения ценных компонентов, а также в мультисенсорных системах типа «искусственный язык».