КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 19-73-00060
НазваниеВлияние ультразвукового воздействия на свойства протонообменных мембран Nafion® и гибридных мембран на их основе
Руководитель Сафронова Екатерина Юрьевна, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук , г Москва
Конкурс №40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов
Ключевые слова топливный элемент, твердый электролит, ионообменный полимер, протонообменная мембрана, перфторсульфополимер, Nafion®, ультразвук, деградация, механические свойства, протонная проводимость, гибридные мембраны, наномодификация, каталитические чернила, диспергирование
Код ГРНТИ31.25.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Низкотемпературные топливные элементы на основе твердополимерного электролита являются одними из наиболее перспективных альтернативных источников энергии. Важным фактором, ограничивающим их широкое использование, является высокая себестоимость вырабатываемой энергии. Ее снижения можно добиться оптимизацией свойств компонентов, уменьшением их стоимости и увеличением срока службы. В низкотемпературных топливных элементах в качестве твердого электролита наиболее часто используются перфторированные сульфосодержащие мембраны Nafion®. В литературе можно найти большое количество работ, направленных на оптимизацию свойств таких мембран. Одним из наиболее часто используемых подходов для решения этой задачи является создание гибридных материалов типа органика-неорганика. Наиболее технологичным способом их получения и подходящим практически для всех типов допантов является отливка из раствора полимера в присутствии наночастиц. Методика получения гибридных мембран часто включает диспергирование наночастиц допанта (например, различных оксидов, графена, углеродных нанотрубок и др.) в растворе полимера с помощью ультразвуковой обработки для получения стабильных дисперсий и равномерного распределения частиц в формируемом материале. Вопросу исследования влияния ультразвукового воздействия на свойства самого полимера и формируемых из него мембран в литературе почти не уделено влияния. В большом количестве статей, посвященных получению гибридных мембран, даже не указываются условия такой обработки. Для получения каталитических чернил для топливных элементов часто используется ультразвуковое воздействие с целью диспергирования катализатора (Pt/C) в растворе Nafion® с последующим нанесением раствора на поверхность электролита или газодиффузионного слоя. Nafion® в каталитическом слое применяют в качестве связующего и протонпроводящего электролита. В этом случае свойства полимера Nafion® также важны, в том числе с точки зрения стабильности и срока службы мембранно-электродного блока.
Согласно исследованиям, проведенным на других полимерах известно, что ультразвуковое воздействие приводит к изменению вязкости растворов полимеров, температуры стеклования, длины макромолекул и может приводить к распрямлению клубков макромолекул. В случае полимера Nafion® изменение этих параметров будет влиять на рабочую температуру материалов, а также на процессы самоорганизации, протекающие в ходе формирования мембран, а значит и на их микроструктуру, влагосодержание и транспортные свойства, в частности проводимость, диффузионную проницаемость и газопроницаемость. Таким образом, обоснованный выбор условий ультразвуковой обработки растворов в ходе получения гибридных мембран и каталитических чернил для топливных элементов очень важен с точки зрения оптимизации свойств материалов, срока их эксплуатации и характеристик в режиме работы топливного элемента.
Данный проект направлен на изучение влияния ультразвука на свойства ионообменных мембран на примере перфторированного сульфосодержащего полимера Nafion®. Предлагаемый подход включает исследование влияния ультразвуковой обработки растворов Nafion® на их вязкость и свойства самого полимера (температуру стеклования). Впервые будет описано влияние ультразвуковой обработки растворов Nafion® на изменение свойств (влагосодержание, механические свойства, протонная проводимость, диффузионная проницаемость и газопроницаемость) мембран, получаемых из них методом отливки. В том числе планируется выявить влияние присутствия частиц допанта в растворе в ходе ультразвуковой обработки на примере наиболее часто используемых частиц (оксид кремния, многостенные углеродные нанотрубки, катализатор Pt/C) на свойства полимера и получаемых из него мембран. Будет изучено влияние времени и интенсивности воздействия, а также состава раствора (тип противоиона, природа растворителя, концентрация раствора, присутствие допанта) на изменение свойств получаемых из него материалов. Научная новизна заключается в описании влияния ультразвуковой обработки растворов перфторсульфополимеров на микроструктуру формируемых из них мембранных материалов, которое будет подготовлено на основании обобщения полученных результатов. В результате этого будут подготовлены рекомендации по подбору условий ультразвуковой обработки растворов полимеров в ходе формирования гибридных материалов методом отливки и каталитических чернил на основе перфторсульфополимеров, позволяющие минимизировать негативное воздействие и оптимизировать свойства. Обоснованный выбор условий получения материалов для топливных элементов будет способствовать увеличению эффективности и времени эксплуатации мембранно-электродных блоков и, в конечном счете, к снижению себестоимости вырабатываемой энергии. Полученные знания и закономерности в дальнейшем могут быть использованы для других ионообменных материалов, в том числе для перфторульфополимеров с короткой боковой цепью.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ