Перфторированные сульфосодержащие мембраны с управляемой морфологией и улучшенными транспортными и механическими свойствами для альтернативной энергетики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-73-10149

НазваниеПерфторированные сульфосодержащие мембраны с управляемой морфологией и улучшенными транспортными и механическими свойствами для альтернативной энергетики

Руководитель Сафронова Екатерина Юрьевна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые слова полимерный электролит, протонный проводник, перфторсульфополимер, мембрана ионообменная, мембрана гибридная, ионная проводимость, газопроницаемость, селективность, наночастицы, топливный элемент, литий-ионный аккумулятор, потенциометрический сенсор

Код ГРНТИ31.25.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В альтернативной энергетике для получения и хранения энергии широко используются перфторированные сульфосодержащие полимеры, например, с длинной (Nafion®) и короткой (Aquivion®) боковой цепочкой. Их применяют в качестве электролита для разделения катодного и анодного пространства, а также для переноса протонов (в топливном элементе и окислительно-восстановительных проточных батареях), ионов лития или натрия (в металл-ионных аккумуляторах). Перспективным способом получения материалов для этих целей является отливка мембран из дисперсий, поскольку именно такой метод позволяет формировать пленки маленькой толщины (20-50 мкм) и дополнительно модифицировать путем внедрения заданной концентрации допантов, способствующих росту влагосодержания или количества сорбируемых органических растворителей, ионной проводимости, селективности ионного переноса и упрочнению. Кроме того, дисперсии полимера нужны для создания каталитических чернил для мембранно-электродных блоков топливных элементов. Микроструктура и свойства перфторсульфополимерных мембран как в сухом, так и в гидратированном состоянии к настоящему времени достаточно хорошо изучены. За счет процессов самоорганизации в мембранах происходит разделение гидрофобной перфторированной матрицы и гидрофильных функциональных сульфогрупп. Последние объединяются в кластеры или поры, размер которых зависит от влагосодержания мембран и определяет ионный и молекулярный транспорт в них. В дисперсиях перфторсульфополимеров также как и в пленках происходит самоорганизация макромолекул. Известно, что перфторсульфополимеры обладают эффектом «памяти» и их сорбционные, механические и транспортные свойства сильно зависят от предыстории (условий получения, обработки и предподготовки). Это связано необратимым воздействием внешних условий на микроструктуру мембран. Получение материалов с оптимизированными свойствами путем управления их микроструктурой можно рассматривать в качестве перспективного подхода к получению электролитов для устройств альтернативной энергетики. В последние годы наблюдается большой интерес к исследованию микроструктуры перфторсульфополимеров, поскольку природа растворителей (протонный/апротонный), их диэлектрические проницаемости и сродство к полимеру влияют на агрегацию и морфологию макромолекул. Взаимодействия полимер-полимер и полимер-диспергирующая жидкость влияют на степень разделения и равномерность микроструктуры формируемых методом отливки мембран и определяют их транспортные и механические свойства. В литературе в основном приводятся данные о влиянии состава дисперсии на основе Nafion® на механические свойства получаемых мембран. Вместе с тем, основываясь на уже опубликованных сведениях о влиянии природы диспергирующей жидкости на самоорганизацию полимера, и нашем опыте работы с перфорсульфополимерами, не вызывает сомнений тот факт, что в зависимости от полярности растворителя, размера его молекул и диэлектрической проницаемости, длины боковой цепи полимера, его эквивалентной массы и ионной формы, можно ожидать, что влагосодержание, степень сольватации, сорбционные, транспортные и механические свойства мембран, получаемых методом отливки из дисперсий различного состава, будут существенно отличаться. При этом важно установить взаимосвязь между составом дисперсии, морфологией полимеров в них и микроструктурой формируемых мембран. Это позволит направленно изменять микроструктуру и свойства ионообменных мембран, в том числе без использования модификаторов, и получать материалы с оптимизированными свойствами. Целью данного проекта является получение материалов на основе перфторсульфополимеров с оптимизированными транспортными и механическими свойствами для нужд альтернативной энергетики. Для этого будут получены дисперсии перфторсульфополимеров, отличающихся эквивалентной массой и длиной боковой цепи (Nafion® и Aquivion®) в различных ионных формах в растворителях и их смесях (водно-спиртовые смеси на основе одноатомных спиртов, этиленгликоль, диметлиформамид, N-метилпирролидон) и отливка мембран из полученных растворов, в том числе получение гибридных мембран с допантами различной природы. Будут получены дисперсии на основе полимера в различной ионной форме (литий, натрий, двухзарядный катион), исследована их вязкость в зависимости от концентрации, физических характеристик растворителя и состава полимера. Будут подобраны условия отливки мембран с целью формирования тонких, равномерных и прочных пленок. Полученные мембраны будут охарактеризованы различными методами: будет определено влагосодержание, степень сольватации органическими апротонными растворителями, ионная проводимость, селективность переноса катионов, диффузионная проницаемость и газопроницаемость, механические свойства. Кроме того, будут установлены сорбционные характеристики и значения доннановской разности потенциалов на границе мембран с растворами органических и неорганических электролитов. Свойства мембран будут изучены в различных ионных формах (в H+, Li+, Na+). В результате выполнения данного проекта планируется выявить взаимосвязь между состоянием перфторсульфополимеров в дисперсиях (в зависимости от типа полимера (длины боковой цепочки, количества ионообменных групп, противоиона), его концентрации и природы диспергирующей жидкости) и сорбционными, механическими и транспортными свойствами получаемых из них методом отливки мембран, в том числе гибридных. Решение данной проблемы позволит получать новые мембранные материалы, в том числе и на основе других типов полимерных электролитов, отвечающие практическим требованиям, для альтернативной энергетики и ряда других приложений, в частности аналитической химии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сафронова Е.Ю., Ярославцев А.Б. The effect of solvent nature and ultrasonication of polymer solutions on the performance of Nafion and Nafion+SiO₂ membranes Тезисы докладов Международной конференции «Ion transport in organic and inorganic membranes 2021, Сборник тезисов Международной конференции «Ion transport in organic and inorganic membranes 2021, с. 268-269 (год публикации - 2021)

2. Сафронова Е.Ю., Ярославцев А.Б. Sonochemical synthesis of high conductive and low permeable Nafion and Nafion+SiO₂ from polymer solutions International on-line conference «Solid State Proton Conductors», P. 71 (год публикации - 2021)

3. Сафронова Е.Ю., Воропаева Д.Ю., Новикова С.А., Ярославцев А.Б. О влиянии растворителя и предварительной ультразвуковой обработки на свойства мембран Nafion®, полученных методом отливки Мембраны и мембранные технологии, Т. 12, № 1, С. 47-56 (год публикации - 2022)
10.1134/S2218117222010072

4. Сафронова Е.Ю., Корчагин О.В., Богдановская В.А., Ярославцев А.Б. Effect of ultrasonic treatment of Nafion® solution on the performance of fuel cells Mendeleev communications, V. 32, P. 224-225 (год публикации - 2022)
10.1016/j.mencom.2022.03.023

5. Воропаева Д.Ю., Сафронова Е.Ю., Новикова С.А., Ярославцев А.Б. Recent progress in lithium-ion and lithium metal batteries Mendeleev Communications, V. 32, P.287-297 (год публикации - 2022)
10.1016/j.mencom.2022.05.001

6. Сафронова Е.Ю., Воропаева Д.В., Лысова А.А., Корчагин О.В., Богдановская В.А., Ярославцев А.Б. On the properties of Nafion membranes recast from dispersion in N-Methyl-2-Pyrrolidone Polymers, V. 14, Art. 5725 (год публикации - 2022)
10.3390/polym14235275

7. Сафронова Е.Ю., Воропаева Д.Ю., Паршина А.В., Ярославцев А.Б. Материалы на основе перфторсульфополимеров: влияние состава дисперсий на свойства мембран, полученных методом отливки Труды 16-ого Совещания с международным участием «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела», Труды 16-ого Совещания с международным участием «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела», С. 76 (год публикации - 2022)

8. Воропаева Д.Ю., Сафронова Е.Ю., Ярославцев А.Б. Перфторированные сульфосодержащие мембраны с управляемой морфологией и улучшенными транспортными и механическими свойствами для альтернативной энергетики Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием IV Байкальский материаловедческий форум, Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием IV Байкальский материаловедческий форум. С. 57-58 (год публикации - 2022)

9. Сафронова Е.Ю., Паршина А.В., Ярославцев А.Б. О влиянии состава дисперсии Nafion на свойства мембран, полученных методом отливки Тезисы докладов XV юбилейной всероссийской конференции с международным участием "Мембраны 2022", Тезисы докладов XV юбилейной всероссийской конференции с международным участием "Мембраны 2022", С. 123-124 (год публикации - 2022)

10. Сафронова Е.Ю., Воропаева Д.Ю., Сафронов Д.В., Стреттон Н., Паршина А.В., Ярославцев А.Б. Correlation between Nafion morphology in various dispersion liquids and properties of the cast membranes Membranes, 2023. V. 13. Is. 1. Art. 13. (год публикации - 2023)
10.3390/membranes13010013

11. Сафронова Е.Ю., Лысова А.А. Перфторированные сульфосодержащие полимерные мембраны: микроструктура и основные функциональные свойства Мембраны и мембранные технологии, Т. 13, № 6, с. 435-451 (год публикации - 2023)
10.31857/S221811722306007X

12. Паршина А.В., Новикова С.А., Стретон Н., Ельникова А.С., Жучков Т.Р., Бобрешова О.В., Ярославцев А.Б. Perfluorosulfonic acid membranes with short and long side chains and their use in sensors for the determination of markers of viral diseases in saliva Membranes, V. 13. Is. 8. Art. 701. 18 p. (год публикации - 2023)
10.3390/membranes13080701

13. Паршина А.В., Сафронова Е.Ю., Ельникова А.С., Стреттон Н., Бобрешова О.В. О влиянии природы противоиона на свойства перфторсульфополимерных мембран с длинной и короткой боковой цепью Мембраны и мембранные технологии, Т. 12, № 5, С. 369-379 (год публикации - 2023)
10.31857/S2218117223050061

14. Воропаева Д.Ю., Сафронова Е.Ю., Новикова С.А., Ярославцев А.Б. Полимерные электролиты на основе перфторированных мембран Aquivion для литиевых аккумуляторов Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции по электрохимии, С. 209-210 (год публикации - 2024)

15. Стретон Н.С., Сафронова Е.Ю., Ярославцев А.Б. Hybrid recast membranes based on Aquivion® polymer and inorganic nanoparticles Conference proceedings of International conference “Ion transport in organic and inorganic membranes – 2024” (год публикации - 2024)

16. Воропаева Д.Ю., Сафронова Е.Ю., Новикова С.А., Ярославцев А.Б. Perfluorosulfonic acid membranes as gel-polymer electrolytes for lithium metal batteries Journal of physical chemisctry C, V. 128. Is. 10. P. 4143–4151 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.jpcc.3c07673

17. Стретон Н.С., Сафронова Е.Ю. Гибридные материалы на основе мембраны Aquivion и неорганических допантов Сборник тезисов докладов XIV конференции молодых ученых по общей и неорганической химии, Стр. 330 (год публикации - 2024)

18. Сафронова Е.Ю., Ярославцев А.Б. Оптимизация транспортных и механических свойств перфторированных сульфосодержащих мембран Сборник тезисов докладов Научно-практической конференции "Фторидные материалы и технологии", 94-95 (год публикации - 2024)

19. Воропаева Д.Ю.,Сафронова Е.Ю., Новикова С.А., Ярославцев А.Б. Перфторированные сульфокатионитные мембраны Aquivion как электролиты для литиевых аккумуляторов Сборник тезисов докладов Научно-практической конференции "Фторидные материалы и технологии", 67-68 (год публикации - 2024)

20. Сафронова Е.Ю., Ярославцев А.Б. Dispertion-cast perfluorosulfonic acid membranes of various chemical structure Conference proceedings of International conference “Ion transport in organic and inorganic membranes – 2024” (год публикации - 2024)

21. Паршина А.В., Сафронова Е.Ю., Ельникова А.С., Юрова П.А., Жучков Т.Р., Халлыев Ы.Ш., Бобрешова О.В. Фторполимерные мембраны в мультисенсорных системах для фармацефтического анализа и медицинской диагностики Сборник тезисов докладов Научно-практической конференции "Фторидные материалы и технологии", 33-34 (год публикации - 2024)

22. Стретон Н.С., Сафронова Е.Ю., Ярославцев А.Б. Гибридные мембраны на основе различных перфторированных сульфосодержащих полимеров и неорганических допантов Сборник тезисов докладов Научно-практической конференции "Фторидные материалы и технологии", 96-97 (год публикации - 2024)

23. Сафронова Е.Ю., Стретон Н.С., Ярославцев А.Б. Correlation between morphology of perfluorosulfonic acid polymers in various dispersion liquids and properties of the recast membranes Conference proceedings of International conference “Ion transport in organic and inorganic membranes – 2023”, 260-262 (год публикации - 2023)

24. Воропаева Д.Ю., Сафронова Е.Ю., Новикова С.А., Ярославцев А.Б. Perfluorosulfonic acid membranes Aquivion® as gel-polymer electrolytes for lithium metal batteries Conference proceedings of International conference “Ion transport in organic and inorganic membranes – 2024” (год публикации - 2024)

Публикации