Исследователи из инженерной школы Свенсона Университета Питтсбурга обнаружили, что необычные свойства графана – двумерного полимера углерода и водорода – могут образовывать безводную «бригаду ведер», которая транспортирует протоны без потребности в воде. потенциально приведет к разработке более эффективных водородных топливных элементов для транспортных средств и других энергетических систем.
Главный исследователь – Карл Джонсон, профессор Уильяма Кеплера Уайтфорда на факультете химической и нефтяной инженерии Swanson School, а старший научный сотрудник Абхишек Багусетти – ведущий автор.
Их работа «Легкий безводный транспорт протонов на гидроксил-функционализированном графане» (DOI: 10.1103 / PhysRevLett.118.186101), был опубликован на этой неделе в Physical Review Letters. Методы вычислительного моделирования в сочетании с высокопроизводительной вычислительной инфраструктурой в Центре исследовательских вычислений университета позволили им разработать этот потенциально революционный материал.
Элементы водородного топлива похожи на аккумулятор, который можно заряжать водородом и кислородом. Водород входит в одну сторону топливного элемента, где он распадается на протоны (ионы водорода) и электроны, а кислород входит в другую сторону и в конечном итоге химически соединяется с протонами и электронами с образованием воды, высвобождая большое количество энергии.
В основе топливного элемента лежит протонообменная мембрана (PEM).
Эти мембраны в основном полагаются на воду, чтобы помочь в проведении протонов через мембраны. Все работает хорошо, если температура не становится слишком высокой или влажность не падает, что истощает мембрану воды и не дает протонам мигрировать через мембрану.
Доктор. Джонсон объясняет, что по этой причине существует большой интерес к разработке новых мембранных материалов, которые могут работать при очень низком уровне воды – или даже при полном отсутствии воды (безводно).
«PEM в сегодняшних водородных топливных элементах изготовлены из полимера под названием Nafion, который проводит протоны только в том случае, если на нем есть нужное количество воды», – говорит д-р. Джонсон. "Слишком мало воды, мембрана высыхает, и протоны перестают двигаться.
Слишком много, и мембрана «заливает» и перестает работать, подобно тому, как вы можете залить карбюраторный двигатель слишком большим количеством бензина », – добавил он.
Доктор.
Джонсон и его команда сосредоточились на графане, потому что, будучи функционализированным гидроксильными группами, он создает более стабильную изолирующую мембрану для проведения протонов. «Наше компьютерное моделирование показало, что благодаря уникальной структуре графана он хорошо подходит для быстрого проведения протонов через мембрану и электронов через цепь в безводных условиях», – сказал доктор. Джонсон сказал. "Это позволит автомобилям на водородных топливных элементах стать более практичным альтернативным транспортным средством."