Коллективу ученых химического факультета и факультета наук о материалах МГУ совместно с УдмФИЦ УРО РАН и Европейским центром синхротронного излучения удалось повысить селективность протонообменной мембраны на основе оксида графена с помощью электрохимического восстановления данного материала. Предложенный подход поможет создать углеродные мембраны с улучшенными характеристиками по сравнению с полимерными образцами для применения в топливных элементах и электролизерах. Результаты исследования поддержаны грантом Российского научного фонда № 22-23-00662 и опубликованы в журнале Carbon.
Оксид графена — слоистый двумерный материал на основе углерода и кислородных групп. Контролируя соотношение атомов углерода и кислорода в оксиде графена с помощью физических, химических или электрохимических методов, ученые могут управлять его структурой и транспортными свойствами. С помощью подбора потенциала, электролита и времени восстановления удается управлять составом и структурой материала наиболее точно, поэтому лучше всего использовать электрохимические методы.
Протонообменная мембрана — это ключевой компонент топливных элементов. Она помогает разделить катодные и анодные процессы и переносит протоны от анода к катоду для получения электричества, воды и тепла путем электрохимической реакции. Обычно мембраны изготавливают из полимеров (классический пример — Nafion). Однако полимерные мембраны склонны к набуханию в водяных парах и растворах, а также подвержены деградации во времени, что существенно снижает избирательность протонного транспорта и ухудшает работу топливного элемента. Альтернативным решением могут стать мембраны на основе оксида графена.
Авторы работы планируют продолжить исследования как фундаментальных, так и практических аспектов работы. Сейчас они изучают кинетику и механизм электрохимического восстановления на более глубоком уровне. В планах ученых попытаться использовать мембрану в метанольных топливных элементах. Также они планируют изучить температурную зависимость электронной проводимости и протонного транспорта в мембранах на основе оксида графена. Все это поможет повысить производительность мембран и использовать их в реальных топливных элементах и электролизерах.
