Челябинские ученые придумали супермембрану для автотоплива будущего

Корреспондент «Южноуральской панорамы» встретился с автором изобретения, которое может произвести революцию в автомобилестроении, химиком-аспирантом ЧелГУ Федором Ярошенко.

Нефть или водород?

— Почему идея «водородного топлива» будоражит умы ученых?

— Запасы нефти не безграничны, к тому же бензиновые выхлопы загрязняют атмосферу, а водород экологически безопасен, причем это самый распространенный во вселенной элемент.

Получать из него энергию можно, но проблема в том, что на Земле он находится в связанном состоянии (в составе воды или углеводородов), в свободном состоянии легче воздуха и сразу же улетучивается в верхние слои атмосферы. Водород получают несколькими способами: конверсией метана — нагревом с парами воды и электролизом, но на это необходимы большие энергозатраты.

— В мире в последнее время широкое применение находят альтернативные источники электроэнергии — ветрогенераторы, солнечные батареи…

— На Ямале уже построена крупная ветроэнергетическая станция: методом электролиза из воды получают водород, которым обогащают природный газ. Это фактически дармовая энергия, но есть и свой минус: когда нет солнца и ветра, ВЭУ «встают». Конечно, можно «закачивать» электричество в аккумуляторы, но они маломощны и со временем разряжаются. Поэтому эксперименты с водородным топливом, которые проводят компании «Дженерал моторс», «Ниссан», «Тойота» и наш АвтоВАЗ, пока из-за дороговизны таких авто и несовершенства технологии не вышли на промышленный масштаб.

«Поймать» солнце и ветер

— Есть ли надежда, что ситуация изменится?

— Наши научные разработки позволят запасать электроэнергию, полученную «от солнца и ветра», в нужных количествах. Для этого она преобразуется в энергию химических связей и хранится в аккумуляторах водорода и кислорода, откуда при необходимости подается на топливный элемент автомобиля и снова превращается в электрическую. Сердцем такого элемента является протонпроводящая мембрана.

Однако существующие мембраны не удовлетворяют этим критериям, быстро теряют проводящие свойства и выходят из строя. Дело в том, что оптимальная температура работы топливного элемента — 120-150 градусов, а обычные мембраны не выдерживают нагрева и быстро теряют воду. В итоге снижается их протонная проводимость и «выработка». А наши разработки позволяют получить мембрану, соответствующую предъявляемым условиям.

— Как изменяется «пропускная способность» мембраны, которая «фильтрует» протоны водорода и кислорода?

— Нужно пояснить, что она обладает так называемой протонной проводимостью. Когда водород подходит к катализатору, его молекула диссоциируется на атомы, которые, в свою очередь, делятся на протоны и электроны. Электроны выходят во внешнюю цепь и дают электроток, а протон по молекулам воды за счет градиента концентрации — «кислородного недостатка» протонов — через мембрану поступает на катализатор. Там он «захватывает» электрон, соединяется с атомом кислорода  и «на выходе» получается вода. Это экологически чистое топливо, без вредных выбросов.

Однако если топливный элемент будет работать при комнатной температуре, нужно, чтобы водород был сверхвысокой чистоты. Но процесс очистки обходится недешево, причем примеси «отравляют» дорогостоящий платиновый катализатор, и он перестает работать. Чтобы избежать адсорбции примесей, приходится повышать температуру почти до 150 градусов.

Мембранная ловушка

— И все-таки, что это за чудо-материал, из которого изготовлена ваша мембранная ловушка? Как он удерживает молекулы воды, пропуская протоны?

— Этого можно достичь несколькими способами, например, за счет изменения структуры полимера. Такого эффекта мы добиваемся, меняя блоки полимера местами, вводя «чужеродные» функциональные группы: сульфатные — на основе серной кислоты, фосфатные — фосфорной кислоты и аминогруппы (с добавкой аммиака). Проводим опыты и с добавкой неорганических гетерополикислот. Так мы вышли на разработку мембран на основе совершенно нового компонента — полисурьмяной кислоты, которая привела к радикальным изменениям свойств полимера. Резко возрастает и протонная проводимость, и задержание влаги! А значит, протонный «мотор» будет работать без сбоев, с высоким КПД, и такая мембрана прослужит гораздо дольше.

Мой научный руководитель доктор физико-математических наук Владимир Бурмистров выяснил, что полисурьмяная кислота обладает этими уникальными свойствами (он написал на эту тему книгу), а я продолжаю эти исследования, готовлю кандидатскую диссертацию. Мы контактируем со многими учеными страны, делимся своими мыслями, идеями. К примеру, сотрудничаем с членом-корреспондентом РАН Андреем Ярославцевым из Московского института общей и неорганической химии им. Курнакова.

И «батарейка», и антидот

— А могут ли ваши научные разработки принести реальную пользу?

— Кроме экологически чистого водородного топливного элемента для электродвигателя автомобиля, это и возможность его применения в авиации. Компании «Боинг» и «Самсунг» проводят совместные исследования по переводу внутренних систем электропитания самолета с литиевых аккумуляторов на водородные, а наша разработка поможет снять возникающие при этом проблемы.

Она может найти применение в беспилотниках, солнечных батареях, жидкокислотных элементах космических станций. Принцип ионного обмена вполне применим и для добычи драгоценных металлов из растворов и даже мирового океана. В перспективе можно будет из жидких отходов добывать редкоземельные элементы и из рудных отвалов Карабаша, Верхнего Уфалея. В плюсе будет и экономика, и экология.

Кроме того, полисурьмяная кислота хорошо адсорбирует стронций, и ее также можно использовать как ионообменный материал для очистки воды, используемой на ядерных реакторах. Это ценный антидот и при отравлении стронцием: она выводит тяжелые металлы из организма.

Протонный ток

— Но вы не ограничиваетесь только полисурьмяной кислотой? Возможно ли этот механизм применить при синтезе новых композитных материалов с заранее заданными свойствами?

— Мы уже проводим такие опыты, синтезируем наночастицы, и результаты обнадеживают. При этом кардинально меняются свойства вещества. К примеру, в полимерную матрицу проводников добавляли наночастицы сурьмяно-фосфорной кислоты  и оказалось, что они выдерживают высокие температуры. Аспирант Лилия Коваленко получила сурьмяно-ванадиевую кислоту, а Ольга Меженина и доцент Юлия Лупицкая — гетерополикислоты с включениями вольфрама и калия. В ходе опытов также была получена «керамика», которая задерживает электроны, а проводит только ионы. Эти исследования могут дать толчок для развития фундаментальной науки о структуре вещества.

— А можно ли использовать протонопроводимость в радиоэлектронике?

— Это свойство протонов — проводить ионный ток в твердом теле, было обнаружено учеными в 70-х годах прошлого века. Профессор Владимир Бурмистров получил ряд соединений на основе полисурьмяной кислоты, в которых носителями заряда выступают не электроны, а протоны. Их можно применить для создания топливных элементов, протонных усилителей, выпрямителей тока, фоторезисторов.

Мой научный руководитель проводил эксперимент по созданию дисплеев на твердотельных кристаллах, обладающих электрохромным эффектом и работающих по «протонному принципу». Были изготовлены лабораторные образцы совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии в Екатеринбурге, но реализация проекта была приостановлена из-за замедления темпов развития промышленности в сфере электроники.

Суперионный дефектоскоп

— Ваше открытие, как я слышал, уже заинтересовало газовиков, нефтяников и металлургов…

— Да, его, к примеру, можно использовать для выявления трещин в газовой трубе, котле, топливном баке ракет… Выявляя утечки водорода, датчики парционного давления газа из суперионных проводников могут помочь избежать многих аварий, спасти жизнь людей.

Мы продолжаем исследования, изучаем, как воздействуют на протоны всевозможные поля. Например, для электронов известен эффект Холла — когда они отклоняются под влиянием магнитного поля. Он используется для создания бесконтактного способа зажигания топлива автомобиля, что позволило исключить «подгорание» контактов прерывателя-распределителя. Пока неизвестно, как поведут себя в этих условиях протоны, но я уверен, наша мембрана позволит создать надежный водородный топливный элемент. И  заменить двигатель внутреннего сгорания в автомобиле на электромотор, что будет намного эффективнее и экологичнее. Но это только начало: нас ждут новые открытия, которые можно поставить на службу человечеству.