Новая мембрана из Кореи: прорыв в хранении водорода и эффективности

Корейская исследовательская группа объявила о разработке инновационной протонообменной мембраны (PEM), которая способна кардинально улучшить характеристики электрохимических систем хранения водорода. Эта мембрана нового поколения, предназначенная для систем хранения водорода на основе жидких органических носителей (LOHC), создана с использованием углеводородного полимера под названием SPAES.

Ключевым достижением новой разработки является снижение проницаемости толуола, часто используемого в качестве LOHC, более чем на 60% по сравнению с коммерчески доступной перфторированной мембраной Nafion. Это также привело к повышению фарадеевской эффективности процесса гидрирования до 72,8%. Жидкие органические носители водорода, такие как толуол, представляют собой перспективные жидкие соединения для хранения и транспортировки водорода. В отличие от сжатого водорода, требующего давления свыше 100 бар, или сжиженного, хранящегося при температуре минус 252,9°C, LOHC позволяют работать в гораздо более мягких и безопасных условиях, что упрощает логистику и инфраструктуру.

Однако существующие электрохимические системы гидрирования на основе LOHC сталкиваются с серьезной проблемой: нежелательным переносом толуола через мембрану. Этот процесс не только снижает общую эффективность системы, но и приводит к загрязнению катализатора реакции выделения кислорода на аноде, сокращая срок его службы. Кроме того, медленная кинетика поглощения и высвобождения водорода во многих материалах также негативно сказывается на производительности и быстродействии систем, что критично для динамично меняющихся энергетических потребностей. Сложность и высокая стоимость синтеза высокоэффективных материалов вызывают экономические опасения, а вопросы безопасности, включая риск утечки водорода и реакционную способность некоторых материалов в рабочих условиях, создают значительные препятствия для практического внедрения этих технологий. Совокупность этих технических и экономических факторов требует решения для превращения электрохимического хранения водорода в жизнеспособное и масштабируемое решение для современных энергетических систем, стремящихся к углеродной нейтральности.

Для преодоления этих барьеров корейские исследователи разработали новую углеводородную мембрану SPAES с тщательно спроектированными суженными гидрофильными доменами размером около 2,1 нанометра. Эти наноразмерные каналы функционируют как селективные пути для протонов в мембране, одновременно эффективно блокируя более крупные молекулы толуола. Такая продуманная наноструктура радикально снижает проницаемость для молекул толуола, уменьшая их коэффициент диффузии в 20 раз. В результате перенос толуола сократился на 60%, а фарадеевская эффективность, ключевой показатель эффективности преобразования энергии, увеличилась с 68,4% до 72,8%. При длительной эксплуатации в течение 48 часов скорость деградации напряжения, указывающая на стабильность работы, уменьшилась на 40%, с 1270 мВ/ч до 728 мВ/ч. Мембрана также продемонстрировала высокую химическую и механическую стабильность с минимальными структурными изменениями при длительном использовании в системах хранения водорода, что является залогом ее долговечности.

Исследователи ожидают, что данная технология проложит путь к созданию автономных, высокоэффективных электрохимических систем хранения водорода, коммерциализация которых может состояться примерно к 2030 году. Доктор Сун Ён Со из Корейского научно-исследовательского института химической технологии (KRICT) заявляет, что это исследование предлагает решение для «узких мест» в производительности мембранных технологий в области электрохимического хранения водорода. Президент KRICT Ён Гук Ли добавляет, что технология может найти широкое применение в экологически чистых энергетических системах, таких как водородные топливные элементы для транспортных средств и водородная энергетика, тем самым внося значительный вклад в развитие водородной экономики и переход к более устойчивым источникам энергии.