Водородные топливные элементы являются эффективным источником энергии для удаленных объектов, например, космических аппаратов и метеорологических станций. Эффективность топливных элементов определяется содержанием воды в протонообменной мембране, разделяющей анод и катод в топливном элементе. 

Российскими и Австралийскимиучеными было показано, что протонообменная мембрана Нафиона при набухании в водепроисходит частичное разматываниеполимерных волокон с поверхности в объем воды на расстояние до сотен микрон.

 

Исследования с Российской стороны проводились под руководством Н.Ф. Бункина, профессора кафедры ФН-4 «Физика» МГТУ им. Н.Э. Баумана; коллективом Австралийских ученых руководил профессор Барри Нинхэм из Австралийского национального университета, Канберра. Полученные результаты были недавно опубликованы в «Journal of Chemical Physics», AIP Publishing. 

Исследования были посвящены проверке гипотезы о существовании нового фазового состояния воды, которое, согласно этой гипотезе,возникает, в частности, вблизи поверхности набухающего в воде Нафиона. казалось, однако, что особенности воды вблизи Нафиона связаны с процессом прорастания полимерных волокон при набухании в воде. Оказалось, что количество волокон в объеме жидкости и глубина их прорастания контролируются концентрацией дейтерия в воде. 

«Чтобы повысить уровень нашего понимания процессов, происходящих в полимерных мембранах, нам необходимо описать на молекулярном уровне взаимодействие дейтерированной воды с полимерными частицами», - говорит Н.Ф. Бункин. «Теперь, когда мы знаем структуру приповерхностного слоя мембраны в воде, мы можем развить полученные результаты для исследования специфического эффекта ионов при набухании Нафиона в водных растворах электролитов». 

Нафион - это высокопроизводительная коммерчески доступная водородно-оксидная мембрана протонного обмена, которая активно используется в водородных топливных элементах. В объеме мембраны формируется сеть нанометровых электрически заряженных каналов, что позволяет существенно повысить эффективность генерации молекулярного водорода при размещении мембраны в электрохимической ячейке между катодом и анодом. 

Исследователи обнаружили, что мембрана особенно чувствительна к содержанию дейтерия в окружающей воде, что проявляется в разматывании полимерных волокон в объем воды в определенном диапазоне концентраций дейтерия;эффект наиболее выражен при концентрациях дейтерия 100 - 1000 частиц на миллион(ppm). 

Для исследования процесса разматывания полимерных волокон ученые создали уникальную лазерную установку,основанную на фотолюминесцентной УФ-спектроскопии. Конечно, отдельные волокна не наблюдались из-за аппаратных ограничений установки, но тем не менее эффект прорастания этих волокон был надежно зафиксирован. «Полученные результаты могут дать мощный импульс для фундаментальных исследований в биологии, а также помочь в разработке новых способов производства энергии, о которых мы пока даже не думаем», - говорит Н.Ф. Бункин. 

Эти исследования были поддержаны грантами Российской Федерации по фундаментальным исследованиям и грантом Президента Российской Федерации для молодых ученых. Авторами статьи «Приповерхностная структура Нафиона в дейтерированной воде» являются Н.Ф. Бункин А.В. Шкирин В.А. Козлов Б.В. Нинхэм, E.В. Успенская и С.В. Гудков. Статья опубликована в «Journal of Chemical Physics» 23 октября 2018 года (DOI: 10.1063 / 1.5042065) и доступна по ссылке http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5042065. 

Источник: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-10/aiop-sut102418.php