06.03.2025
Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) и Инженерной школы Тандон Нью-Йоркского университета совершили прорыв в понимании того, как вода переносит заряженные ионы через важнейший компонент экологически чистых энергетических технологий, таких как топливные элементы и окислительно-восстановительные батареи.
Ранее учёные считали, что для этого компонента, называемого анионно-обменной мембраной (AEM), требуется большое количество свободной воды, которая со временем может ослабить структуру мембран. Однако новое исследование показывает, что для быстрого переноса ионов не требуется большое количество свободной воды.
Вместо этого AEM можно оптимизировать, используя ровно столько воды, чтобы создать хорошо связанные между собой сети молекул воды внутри мембраны, а также обеспечить динамическую оболочку из воды вокруг ионов.
Исследование опубликовано в Nature Communications.
«Наше исследование ставит под сомнение давнюю идею о том, что для быстрого переноса ионов в энергетических мембранах требуется избыток свободной воды — на самом деле важна структура водной сети, а не только ее количество», - сказал профессор UChicago PME. Пол Нили, старший автор новой статьи.
«Это исследование предоставляет нам план оптимизации энергетических мембран на молекулярном уровне, приближая нас на один шаг к более эффективным топливным элементам, улучшенным батареям и более устойчивым решениям для хранения энергии», - сказал бывший профессор UChicago PME. Хуан де Пабло, ныне работающий в Нью-Йоркском университете, а также старший автор.
Сосредоточен на потоке ионов
AEM — это тонкие, специально разработанные материалы, в которые встроены положительно заряженные молекулы. Эти положительно заряженные молекулы помогают притягивать и направлять отрицательно заряженные ионы, называемые анионами, через мембрану, отталкивая при этом положительно заряженные ионы, называемые катионами. Мембраны используются в различных электрохимических устройствах, которые используют разницу в заряде, создаваемую AEM, для запуска других реакций (например, для преобразования химической энергии в электричество в топливных элементах или для расщепления воды с целью получения чистого топлива в электролизерах).
Эффективность AEM-элементов зависит от того, насколько хорошо ионы перемещаются по ним, и учёные знали, что вода способствует перемещению ионов. Однако поддержание высокого уровня свободной воды в электрохимических устройствах ограничивает их использование в условиях низкой влажности и может привести к набуханию, растяжению и ослаблению структуры AEM-элементов.
В новом исследовании учёные сопоставили экспериментальные данные об эффективности AEM с компьютерным моделированием поведения молекул в системах, чтобы лучше понять роль воды. Они использовали передовую двумерную инфракрасную спектроскопию (2D IR) для изучения быстрой динамики воды.
«Объединив эти подходы, мы можем точно смоделировать, что происходит с молекулами воды вокруг AEM в масштабе пикосекунд», — сказал Ге Сун, аспирант UChicago PME и соавтор исследования.
Команда исследователей обнаружила, что молекулы воды, поглощённые AEM, создают в его структуре сеть водородных связей. Эта сеть, а также оболочки из воды, окружающие ионы, а не избыток свободной воды, помогают ионам эффективно перемещаться. При самом низком уровне воды для перемещения ионов по AEM требуется большое количество энергии, поскольку водородная сеть неполная. По мере повышения уровня воды и структурирования водородных сетей энергия, необходимая для перемещения ионов, значительно снижается.
«Мы заметили, что даже при низком уровне воды мы видим повышение ионной проводимости и перенос ионов через мембрану. Это происходит потому, что водная сеть хорошо сформирована, и молекулы воды во втором слое могут быстро менять свою ориентацию», — сказал Сан.
Оптимизация технологий будущего
При проектировании AEM в прошлом инженеры допускали ошибку, используя больше воды, чем необходимо. Новые результаты показывают, что есть более эффективный способ оптимизировать уровень воды в электрохимических устройствах, использующих эти мембраны.
«Раскрыв, как молекулы воды организованы внутри этих мембран, мы можем разработать материалы следующего поколения, которые эффективно работают даже в условиях низкой влажности, делая технологии экологически чистой энергии более практичными и долговечными», - сказал Учикаго PME. Доц. Проф. Шрайеш Патель, соавтор исследования.
Ключевым достижением этой работы стало использование двумерного ИК-излучения в сочетании со сложными молекулярными моделями для изучения мельчайших деталей динамики воды в этих системах. Новая комбинация экспериментальных данных и моделирования, использованная в этом исследовании, представляет собой мощную основу, которую можно применять для решения многих других научных задач, связанных с пониманием движения молекул.
Источник: Tech Xplore
