Разработка методов поиска перспективных протон-проводящих материалов на основе металл-органических каркасов

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 22-23-00506

НазваниеРазработка методов поиска перспективных протон-проводящих материалов на основе металл-органических каркасов

Руководитель Золотарев Павел Николаевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" , Самарская обл

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-303 - Теория и компьютерное моделирование полимерных систем

Ключевые слова металл-органические каркасы, протонные проводники,кристаллическая структура, топология, теория функционала плотности, моделирование, прогнозирование, методы машинного обучения

Код ГРНТИ31.15.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Как известно, одним из наиболее экологичных путей получения электрической энергии является преобразование химической энергии топлива в топливных элементах (ТЭ). В классических ТЭ используется жидкий электролит, однако, в последнее время наблюдается устойчивая тенденция к переходу к ТЭ с твердой протонообменной мембраной. В качестве материала твердых протонообменных мембран широко применяются сульфированные полимеры, наиболее распространенным из которых является нафион. Однако, мембраны на основе нафиона имеют существенные недостатки, среди которых относительно высокий перенос метанола и воды, что приводит к обезвоживанию мембран с анодной стороны, набуханию или усушке мембраны и вызывает необходимость интенсивного увлажнения паров топлива и окислителя и, таким образом, приводит к увеличению веса топливного элемента. Помимо этого, вследствие того, что протонный транспорт в нафионе возможен только при участии молекул воды, рабочая температура ограничивается максимальным значением 100оС. Одним из неблагоприятных следствий низкой рабочей температуры является низкая толерантность к примесям в топливе – даже их небольшое содержание приводит к заметному снижению характеристик. Поиск и подбор металл-органических каркасов (МОК), перспективных с точки зрения применения в качестве мембран ТЭ, позволит преодолеть затруднения, возникающие при использовании мембран на основе нафиона. В частности, многие МОК способны к протонному транспорту в безводных условиях, что существенно расширяет диапазон их рабочей температуры. Другим преимуществом МОК перед полимерными аморфными материалами является структурная упорядоченность и наличие органических лигандов, в результате чего данные материалы, в отличие от полимеров, поддаются направленной модификации, которую относительно легко прогнозировать и контролировать. Помимо этого, важными достоинствами МОК являются исключительно высокая площадь поверхности, изменяемая пористость, однородное распределение нано- и микропор, относительно высокая термическая стабильность, а также многообразие возможных строительных единиц – металлов, лигандов с различными функциональными группами, что делает их весьма привлекательными материалами для применения в качестве мембран ТЭ. Однако, абсолютное большинство исследований, посвященных дизайну протон-проводящих МОК, проводятся методом «проб и ошибок», что не позволяет выявить четких закономерностей «состав - проводимость» и осуществлять прогнозирование протонной проводимости новых структур. Вследствие этого, основной целью проекта является разработка нового подхода к поиску протон-проводящих металл-органических каркасов, основанного на скрининге кристаллографических баз данных и последующем анализе проводимости перспективных соединений методами квантово-химического моделирования. Квантово-химическое моделирование протонного транспорта позволит выявить и детально исследовать механизмы, по которым протекает данный процесс, что, в свою очередь, позволит прогнозировать вариации структуры МОК, приводящие к повышению проводимости и/или снижению её энергии активации. Проект направлен на разработку метода прогнозирования протонной проводимости МОК, основанного на комбинировании геометрико-топологического анализа их структуры и квантово-механического моделирования процесса миграции протона. С помощью методов статистического анализа геометрико-топологических характеристик структур в выборке известных протон-проводящих МОК планируется установить четкие геометрико-топологические критерии возможности структуры осуществлять транспорт протонов в водной или безводной среде. На основе данных критериев будет осуществлен скрининг Кембриджского банка структурных данных с целью поиска перспективных протонных проводников среди МОК с известной кристаллической структурой. Для обнаруженных перспективных материалов будет проведено квантово-химическое моделирование процесса переноса протонов с использованием методов ab initio молекулярной динамики и метода эластичной ленты. На основании квантово-химического моделирования будет проведена оценка энергии активации протонного транспорта в МОК, предположительно способных к протонной проводимости.