Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Ученые сплели броню из нановолокон для сердца водородного двигателя
Российский коллектив ученых из МФТИ, Центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, МИСИС и Томского политехнического университета совместно с сотрудниками компании «Инэнерджи» разработал новую композитную протонообменную мембрану, которая решает одну из ключевых проблем водородной энергетики — компромисс между производительностью и долговечностью топливных элементов. Укрепив «сердце» водородного двигателя каркасом из уникальных нановолокон, исследователи добились значительного повышения механической прочности и стабильности при сохранении высокой эффективности.
В основе водородной энергетики лежит простое и чистое преобразование: химическая энергия водорода и кислорода превращается в электричество, а единственным «выхлопом» становится обычная вода. Центральный элемент этого процесса — топливный, а его сердце — протонообменная мембрана. Эта тончайшая полимерная пленка выполняет сразу несколько критически важных функций: она, подобно сверхточному ситу, пропускает через себя протоны (положительно заряженные ядра водорода), но при этом служит непреодолимым барьером для электронов и исходных газов — водорода и кислорода. Именно от свойств этой мембраны напрямую зависят мощность, безопасность и срок службы всего устройства.
Перед инженерами долго стояла сложная дилемма. Для высокой производительности мембрана должна быть как можно тоньше, чтобы протоны проходили через нее с минимальным сопротивлением. Однако тонкая пленка очень уязвима: в процессе работы топливного элемента она подвергается механическим нагрузкам, перепадам температур и влажности, что может привести к появлению микротрещин, утечке взрывоопасного водорода и в конечном итоге к выходу устройства из строя. Попытки укрепить мембрану, добавляя в нее армирующие волокна из инертных полимеров, приводили к другой проблеме: такие «усилители» не проводят протоны и, занимая часть объема мембраны, снижали ее общую эффективность. Возникал замкнутый круг: прочность в обмен на производительность.
Коллектив российских ученых поставил перед собой задачу: создать материал, сочетающий в себе механическую стойкость и высокую протонную проводимость. Для этого они разработали элегантную двухкомпонентную структуру, в которой армирующий каркас не только придает прочность, но и сам активно участвует в работе топливного элемента. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Engineering Materials.
«Топливные элементы с протонообменной мембраной привлекают значительное внимание как жизнеспособная альтернатива традиционным источникам энергии. Производительность таких топливных элементов неразрывно связана с характеристиками полимерной мембраны, выполняющей в них как роль сепаратора, для которого важна механическая прочность и низкая водородная проницаемость, так и роль электролита, чья протонная проводимость напрямую отражается на мощности устройства. В нашей работе мы сосредоточились на поиске баланса между проводящими и механическими свойствами, чтобы обеспечить повышенную безопасность топливного элемента и при этом сохранить его высокую эффективность. Электроспиннинговое волокно с иономером в составе позволило нам укрепить полимерную матрицу мембраны без значительной потери проводимости», — рассказала об исследовании Вера Пузакова, студентка магистратуры МФТИ, инженер-исследователь лаборатории технологий ионообменных мембран МФТИ.
В качестве основного материала исследователи использовали иономер типа Aquivion. Это современный перфторсульфоновый полимер, обладающий высокой способностью проводить протоны. Но главная инновация заключалась в подходе к его армированию. Вместо инертных волокон ученые создали поддерживающий каркас из нановолокон, полученных методом электроспиннинга (также называемого «электропрядение»). Этот метод позволяет под действием мощного электрического поля вытягивать из раствора полимера нити толщиной в сотни нанометров, сплетая из них нетканый материал, похожий на высокотехнологичный войлок. Уникальность этих нановолокон заключалась в их составе: они состояли из смеси прочного фторполимера и того же самого иономера Aquivion. Таким образом, ученые впервые вплели протон-проводящий компонент непосредственно в структуру армирующего каркаса.
На следующем этапе этот нановолоконный «скелет» пропитали жидкой дисперсией иономера Aquivion, которая заполнила все поры между волокнами. После специальных процедур прессования и вакуумного отжига получилась тонкая, однородная и прозрачная композитная мембрана, в которой прочный нановолоконный каркас был намертво слит с основной протон-проводящей матрицей.
Софья Морозова, заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ, пояснила: «Наша идея заключалась в создании так называемого самоармирования. Вместо того чтобы вводить в проводящую среду инородный, неработающий элемент, мы сделали сам каркас ионоактивным. Волокна придают мембране жесткость и устойчивость к разбуханию, а поскольку они сами содержат иономер, то не создают «мертвых зон» для транспорта протонов. Это позволило нам обойти классический компромисс и получить материал, прочный и эффективный одновременно».
Комплексные испытания нового материала подтвердили правильность выбранной стратегии. По сравнению с исходной мембраной из чистого Aquivion, протонная проводимость композитной мембраны снизилась незначительно. Зато по ключевым параметрам, отвечающим за долговечность и безопасность, новый материал продемонстрировал впечатляющий прогресс.
Во-первых, его водородная проницаемость — один из самых критичных параметров, отвечающих за безопасность — оказалась значительно ниже. Это означает, что риск утечки водорода через мембрану сведен к минимуму. Во-вторых, композитная мембрана показала улучшенную размерную стабильность: она гораздо меньше разбухала в воде, что предотвращает механические напряжения в топливном элементе во время работы.
Механические тесты также показали превосходство новой разработки. По сравнению с коммерческим аналогом Nafion 211, композитные мембраны обладали более высоким модулем Юнга и прочностью на разрыв, что подтверждает их повышенную механическую надежность.
Финальным экзаменом стала проверка мембраны в составе реального мембранно-электродного блока — сборки, имитирующей работу топливного элемента. Результаты превзошли ожидания. Мембрана толщиной 24 микрона показала пиковую удельную мощность 534 милливатта на квадратный сантиметр, что практически сопоставимо с показателем коммерческого эталона Nafion 211 (571 милливатт на квадратный сантиметр). Это доказывает, что разработанная технология позволяет создавать высокопроизводительные и при этом значительно более прочные и безопасные топливные элементы.
«Мы продемонстрировали, что интеграция ионоактивных нановолокон в иономерную матрицу — это эффективная стратегия для создания топливных элементов нового поколения, — добавила Софья Морозова. — Нам удалось существенно улучшить механические свойства и газобарьерные характеристики, пожертвовав лишь небольшой долей протонной проводимости. Это дает возможность создать топливные элементы с увеличенным ресурсом, которые смогут работать в более жестких условиях, что особенно важно для автомобильного транспорта и систем автономного энергоснабжения».
Новое исследование не только представляет высокоэффективную мембрану, но и предлагает фундаментальный подход к конструированию композитных материалов, в которых каждый компонент выполняет несколько функций. Дальнейшая работа ученых будет направлена на оптимизацию состава и структуры нановолокон, а также на долгосрочные испытания мембран в реальных условиях эксплуатации, чтобы оценить их деградацию с течением времени. Успех этой работы приближает эру водородной энергетики, делая ее более надежной, безопасной и доступной.
Telegram 
Дзен 
VK В 2025 году российская атомная отрасль отмечает 80-летие — от первого ядерного реактора до космических амбиций и повседневных чудес. Знаете ли вы, когда ученые признали реальность атомов, сколько известно видов радиоактивного распада или когда на полях стали выращивать мутантов?
Долгие годы исследователи полагали, что внутренняя структура полости носа неандертальцев была устроена таким образом, что помогала этим людям переносить холод. Однако авторы нового исследования поставили под сомнение эту гипотезу. Ученые впервые проанализировали носовую полость неандертальца в хорошо сохранившемся черепе и выяснили, что его нос не был приспособлен к суровому климату.
Человеческие языки разнообразны, но это разнообразие ограничивается повторяющимися закономерностями. Пытаясь описать правила, которым подчиняются различия в грамматике, лингвисты сформулировали ряд так называемых грамматических универсалий — утверждений, предположительно верных для всех или большинства языков мира. Международная команда ученых провела статистический анализ на материале 2430 языков и обнаружила, что соответствующими действительности можно считать около трети таких утверждений.
Согласно учебникам истории, в бронзовом веке в казахской степи кочевали лишь немногочисленные племена со своими стадами. Но в начале 2000-х там обнаружили древнее поселение с остатками крупных домов, которое могло быть административным либо культурным центром. Это навело ученых на мысль, что жизнь в степи складывалась куда сложнее и была более организованной, чем предполагалось. Международная команда ученых представила новые результаты исследования этого поселения и выяснила, что на самом деле оно представляло собой крупнейший в этом регионе протогородской центр с масштабным производством оловянистой бронзы.
Ю-Цон Тан (YuCong Tang) — концептуальный художник из Китая. Научно-фантастические мотивы — одно из основных направлений его творчества. Он исследует, как научные открытия и технологии будущего трансформируют среду обитания.
В 2025 году российская атомная отрасль отмечает 80-летие — от первого ядерного реактора до космических амбиций и повседневных чудес. Знаете ли вы, когда ученые признали реальность атомов, сколько известно видов радиоактивного распада или когда на полях стали выращивать мутантов?
Проанализировав данные наблюдений, полученных с помощью наземных обсерваторий за последние два десятилетия, астрономы обнаружили потенциально обитаемый мир — суперземлю Gliese 251 c (GJ 251 с). Планета обращается вокруг красного карлика на расстоянии около 18 световых лет от Земли и считается одним из самых перспективных кандидатов для поисков жизни.
По расчетам, большинство «гостей» из других звездных систем летят к Земле примерно со стороны созвездия Геркулес. Скорее всего, они время от времени падают на нашу планету, просто мы еще не научились это замечать. Как удалось вычислить, чаще всего они должны падать зимой и где-то в окрестностях экватора.
В современном доме, насыщенном разнообразной техникой, удлинители стали незаменимым атрибутом, позволяющим обеспечить электропитанием все необходимые устройства. Однако мало кто задумывается, что привычное использование этого аксессуара может нести серьезную угрозу безопасности. По статистике, значительная часть бытовых пожаров происходит из-за неправильной эксплуатации электропроводки и вспомогательных устройств. Какие приборы категорически нельзя подключать через удлинители и почему это может привести к трагическим последствиям, рассказывает профессор кафедры наноэлектроники РТУ МИРЭА, доктор физико-математических наук Алексей Юрасов.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно