Водородным элементам придумали «протонопровод» из графана

Графан с добавлением ОН-групп. Черные - атомы углерода, красные - кислорода, серебристые и синие - водород
Abhishek Bagusetty et al. / Physical Review Letters 2017
Физики из США на основании теоретических расчетов показали, что после создания на графане одномерной «дорожки» из гидроксильных групп, такая система может транспортировать вдоль дорожек протоны, не пропуская при этом электроны. В отличие от других систем с тем же предназначением, графановые протонные мембраны в процессе транспорта протонов не нуждаются в воде, а значит могут работать при более высоких температурах. Это обеспечивает лучшую химическую активность электродов, эффективность теплоотвода и делает систему менее чувствительной к чистоте топлива. Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Из-за большого количества вредных выбросов, человечество пытается найти альтернативу двигателям внутреннего сгорания, использующих в своей работе бензин и другие продукты, созданные на основе нефти. Один из вариантов — водород. С экологической точки зрения водородные топливные элементы выглядят привлекательно из-за того, что на выходе они дают только воду.
Принципиальная схема водородного топливного элемента изображена на рисунке. Водород поступает на анод и теряет электрон (напомним, водород состоит из протона и электрона). Затем новообразованные протоны мигрируют на катод через мембрану, где они соединяются с кислородом и электронами, образуя воду. Разница потенциалов между анодом и катодом, вызванная различной химической энергией связи в исходных газах и воде обеспечивает преобразование энергии химических связей в электрическую. Эффективность устроенных таким образом современных водородных топливных элементов составляет 40-60 процентов.
В своей работе ученые исследовали различные аспекты явления протонной проводимости с помощью различных методик моделирования. Так, чтобы подробно разобраться в том, как именно протон двигается по гидроксильной дорожке, они создали 2 модели, одну с четырьмя гидроксильными группами, вторую с семью. Схематическое представление движения протона в части графановой плоскости с четырьмя ОН-группами можно видеть на картинке. В процессе транспортировки водород в ОН-группах вращается вокруг оси, перпендикулярной листу графана, передавая протон между ОН-группами.
В будущем ученые планируют экспериментально исследовать графановые протонные мембраны, а также рассмотреть двумерную систему из гидроксильных групп.
Чепилко Александр