Водородным элементам придумали «протонопровод» из графана

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.

Графан — это двумерный материал, который создается из графена посредством присоединения атомов водорода. В графане с каждым атомом углерода связан атом водорода, причем эти атомы образуют две плоскости, параллельных изначальному слою графена. В своей работе авторы с помощью моделирования показали, что если в графане создать цепочку гидроксильных групп (напомним, гидроксильная группа — это соединение кислорода и водорода с одним валентным электроном), то по такой цепочке смогут «прыгать» протоны. Расположив лист графана таким образом, что один конец листа соединен с анодом, а второй — с катодом, можно получить протонную мембрану, не пропускающая электроны.

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.

Результаты моделирования показали, что расстояния между слоями графана в 20 ангстрем достаточно, чтобы они не взаимодействовали друг с другом. Кроме того, из-за отказа от воды, химические реакции на катоде протекают быстрее. Это особенно важно из-за того, что пока один протон на конце цепочки «ждет» свою молекулу кислорода, вся «очередь» не может через него перепрыгнуть, а значит движение протонов по дорожке тормозится. Также ученые отмечают, что графан менее подвержен деформациям, чем ранее предложенные безводные протонные мембраны. Это положительно сказывается на скорости транспортировки протонов от между анодом и катодом, что в свою очередь увеличивает мощность топливного элемента. Также они предсказывают, что безводные фильтры, работающие при более высоких температурах, будут не так чувствительны к чистоте водорода.

В будущем ученые планируют экспериментально исследовать графановые протонные мембраны, а также рассмотреть двумерную систему из гидроксильных групп.

Чепилко Александр