Группа исследователей из Ульсанского университета науки и технологий (UNIST), добилась революционного успеха в повышении эффективности водородных топливных элементов, которые привлекают внимание как экологически чистые источники энергии нового поколения.
Под руководством профессора химического факультета Мён Су Лаха (Myoung Soo Lah) группа разработала твердые электролитные материалы на основе металлоорганических каркасов (MOFs). Этот инновационный подход значительно повышает проводимость ионов водорода в твердом электролите, используемом в водородных топливных элементах. Кроме того, исследовательская группа внедрила гостевые молекулы с низкой кислотностью, что стало новаторским достижением. С помощью новой методики, позволяющей увеличить количество гостевых молекул в порах MOF, им удалось улучшить проводимость ионов водорода.
Водородные топливные элементы - это высокоэффективные и экологически чистые устройства для производства электроэнергии, которые непосредственно преобразуют химическую энергию, получаемую в результате реакций между водородом и кислородом, в электрическую. В настоящее время в протонообменных мембранных топливных элементах в качестве электролитного материала преимущественно используется Нафион (Nafion), который отличается термической, механической и химической стабильностью, а также высокой проводимостью ионов водорода. Однако эти системы имеют ограничения по диапазону рабочих температур и недостаточно четко прописаны механизмы повышения их эффективности.
Исследовательская группа обратила внимание на MOF как потенциальную альтернативу. MOF представляют собой материалы, состоящие из кластеров металлов, соединенных между собой органическими лигандами, образующими пористую структуру. Обладая превосходными свойствами химической и термической стабильности, MOF в последнее время вызывают значительный интерес для использования в топливных элементах. Кроме того, при создании MOF образуются поры различного размера, которые можно использовать для создания материалов с высокой проводимостью водородных ионов, вводя через них гостевые молекулы.
В данном исследовании, проведенном исследовательской группой UNIST, цвиттер-ионная сульфаминовая кислота - амфотерное ионное вещество с низкой кислотностью, обладающее как положительным, так и отрицательным зарядом, - была введена в качестве гостевых молекул в два типа MOF, а именно MOF-808 и MIL-101. Сульфаминовая кислота - гостевая молекула, обладающая исключительной способностью к образованию водородных связей в различных формах, - эффективно работает как среда для переноса ионов водорода. Увеличивая количество сульфаминовой кислоты в порах MOF, специалисты успешно разработали материалы, демонстрирующие высокую ионную проводимость водорода (уровень 10-1 Scm-1 и выше). Кроме того, эти материалы продемонстрировали долговечность, сохраняя ионы водорода длительное время.
Результаты исследования открывают широкие перспективы для повышения эффективности и производительности водородных топливных элементов за счет использования металлоорганических каркасов. Этот прорыв способствует ускорению прогресса на пути к устойчивым энергетическим решениям.