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