Поскольку мир движется к более экологичным и устойчивым источникам энергии, топливным элементам уделяется большое внимание. Главное преимущество топливных элементов заключается в том, что они используют водород, чистое топливо, и производят только воду в качестве побочного продукта при выработке электроэнергии. Этот новый и экологически чистый источник электроэнергии может заменить обычные литий-ионные аккумуляторы, которые в настоящее время питают все современные электронные устройства.
В большинстве топливных элементов используется мембрана Nafion — ионная мембрана на основе синтетического полимера, которая служит твердым электролитом, проводящим протоны на водной основе. Однако использование воды в качестве среды для протонной проводимости создает серьезный недостаток для топливного элемента, а именно неспособность функционировать должным образом при температурах выше 100 °C, температуре, при которой вода начинает кипеть, что приводит к падению протонной проводимости. Следовательно, существует потребность в новых протонных проводниках, которые могут эффективно передавать протоны даже при таких высоких температурах.
В недавнем прорыве группа исследователей из Японии, возглавляемая профессором. Макото Тадокоро из Токийского университета науки (TUS) сообщил о новом высокотемпературном протонном проводнике на основе металлокомплекса имидазол-имидазолат, который демонстрирует эффективную протонную проводимость даже при 147 °C. В исследовательскую группу входили доктор Фумия Кобаяси из TUS, доктор Томоюки Акутагава и доктор Норихиса Хосино из Университета Тохоку, доктор Хадзиме Камэбучи из Университета Нихон, доктор Мотохиро Мидзуно из Университета Канадзавы и доктор Дзюн Миядзаки из Токийского университета Денки.
«Имидазол, азотсодержащее органическое соединение, приобрел популярность в качестве альтернативного проводника протонов благодаря своей способности работать даже без воды. Однако он имеет более низкую скорость переноса протонов, чем обычно используемый Нафион, и плавится при 120 ° C. Чтобы преодолеть эти проблемы, мы ввели шесть имидазольных фрагментов в ион рутения (III), чтобы создать новый металлический комплекс, который работает как мультипротонный носитель и обладает высокой температурной стабильностью», — объясняет профессор. Тадокоро, когда его спросили об обосновании их исследования, которое было опубликовано в Chemistry—Европейском журнале и размещено на обложке журнала.
В большинстве топливных элементов используется мембрана Nafion — ионная мембрана на основе синтетического полимера, которая служит твердым электролитом, проводящим протоны на водной основе. Однако использование воды в качестве среды для протонной проводимости создает серьезный недостаток для топливного элемента, а именно неспособность функционировать должным образом при температурах выше 100 °C, температуре, при которой вода начинает кипеть, что приводит к падению протонной проводимости. Следовательно, существует потребность в новых протонных проводниках, которые могут эффективно передавать протоны даже при таких высоких температурах.
В недавнем прорыве группа исследователей из Японии, возглавляемая профессором. Макото Тадокоро из Токийского университета науки (TUS) сообщил о новом высокотемпературном протонном проводнике на основе металлокомплекса имидазол-имидазолат, который демонстрирует эффективную протонную проводимость даже при 147 °C. В исследовательскую группу входили доктор Фумия Кобаяси из TUS, доктор Томоюки Акутагава и доктор Норихиса Хосино из Университета Тохоку, доктор Хадзиме Камэбучи из Университета Нихон, доктор Мотохиро Мидзуно из Университета Канадзавы и доктор Дзюн Миядзаки из Токийского университета Денки.
«Имидазол, азотсодержащее органическое соединение, приобрел популярность в качестве альтернативного проводника протонов благодаря своей способности работать даже без воды. Однако он имеет более низкую скорость переноса протонов, чем обычно используемый Нафион, и плавится при 120 ° C. Чтобы преодолеть эти проблемы, мы ввели шесть имидазольных фрагментов в ион рутения (III), чтобы создать новый металлический комплекс, который работает как мультипротонный носитель и обладает высокой температурной стабильностью», — объясняет профессор. Тадокоро, когда его спросили об обосновании их исследования, которое было опубликовано в Chemistry—Европейском журнале и размещено на обложке журнала.
Команда разработала новую молекулу, в которой три имидазольные (HIm) и три имидазолатные (Im-) группы были присоединены к центральному иону рутения (III) (Ru3+). Полученный в результате мономолекулярный кристалл был очень симметричным и напоминал форму «звездной вспышки». Исследовав протонную проводимость этого металлического комплекса типа starburst, команда обнаружила, что каждая из шести имидазольных групп, присоединенных к иону Ru3+, действует как передатчик протонов. Это сделало молекулу в 6 раз более мощной, чем отдельные молекулы HIm, которые могли транспортировать только один протон за раз.
Команда также исследовала механизм, лежащий в основе высокотемпературной протонной проводимости молекул starburst. Они обнаружили, что при температуре более -70°C протонная проводимость возникает в результате отдельных локализованных вращений HIm и Im-групп и перехода протонов к другим комплексам Ru(III) в кристалле через водородные связи. Однако при температурах выше 147 °C протонная проводимость возникает в результате вращения всей молекулы, что также отвечает за превосходную протонную проводимость при высоких температурах. Это вращение, подтвержденное командой с использованием метода, называемого «твердотельная 2Н-ЯМР спектроскопия», привело к увеличению скорости проводимости на три порядка (σ = 3,08 × 10-5 С/см), чем для отдельных молекул HIm (σ = 10-8 С/см).
Команда считает, что их исследование может послужить новым движущим принципом для протонпроводящих твердотельных электролитов. Идеи, полученные в результате их нового молекулярного дизайна, могут быть использованы для разработки новых высокотемпературных протонных проводников, а также для улучшения функциональности существующих. «Топливные элементы — ключ к более чистому и экологичному завтрашнему дню. Наше исследование предлагает дорожную карту для улучшения характеристик этих углеродно-нейтральных энергетических ресурсов при высоких температурах путем разработки и внедрения молекулярных протонных проводников, которые могут эффективно передавать протоны при таких температурах», — заключает профессор. Тадокоро. https://phys.org/news/2022-07