Наука и технологии России

Вход Регистрация
19.10.09 | Академическая наука: Светлана Σ Синявская

О мембранах с любовью

«Для того чтобы улучшить ионный перенос в мембране, мы, подобно Левше Лескова, вводим в её поры наночастицы», — рассказывает о деятельности своей лаборатории Андрей Ярославцев. В конечном итоге их исследования могут внести лепту в улучшение экологии Земли. Справка STRF.ru:
Ярославцев Андрей Борисович, заведующий сектором Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН (ИОНХ РАН), член-корреспондент РАН

Пока одни СМИ предупреждают об опасности глобального потепления, вызванного парниковым эффектом, другие говорят «правду о том, кто и с какой целью придумал» этот «великий миф» (фильм Первого канала «История одного обмана, или глобальное потепление»). Мы же хотим рассказать об учёном, исследования которого могут внести лепту в улучшение экологии Земли.

Знакомьтесь — Андрей Борисович Ярославцев, заведующий сектором Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН (ИОНХ РАН), член-корреспондент РАН, главное же — человек, увлечённый наукой. Пожалуй, эта любовь к химии и привлекает к нему талантливых ребят (в лаборатории трудится 11 молодых сотрудников), а увлечённость делом позволяет развивать — и интенсивно! — несколько научных направлений и даже закупать оборудование. Не забывает Андрей Ярославцев и о популяризации деятельности своей лаборатории — в текущем году им опубликовано три обзора в российских журналах, сделан ряд докладов на всероссийских и международных конференциях, а на днях выходит его новая монография «Химия твердого тела».

Может быть, внимание к экологии порой чересчур пристальное, но для науки это иногда не так уж и плохо

В лаборатории Андрея Ярославцева исследуют ионную подвижность в твёрдых телах совершенно различной природы и строения. Среди них можно выделить такие материалы, как неорганические фосфаты, неорганические композиты и композиционные мембраны. Сегодня наш разговор именно о композиционных мембранах.

Рис.1. Схема строения ионообменной мембраны

— Вы, конечно, знаете, что на передний край современной науки по ряду причин выходят наноматериалы. Замечу, что сами по себе ионообменные мембраны, по сути, являются наноматериалами. В результате процессов самоорганизации внутри них формируются своеобразные лабиринты, образованные системой пор и каналов с размером в 1—5 нанометров (рис. 1.). Именно по ним и осуществляется ионный перенос. Но для того чтобы его улучшить, подобно Левше Лескова, мы вводим в эти поры наночастицы различных веществ, — пояснил мне Андрей Ярославцев. — Причём чаще всего мы делаем это путем химического синтеза наночастиц непосредственно в порах мембраны, используя их в качестве миниатюрных колбочек, которые после этого даже и мыть не потребуется (смеется).

— А почему вдруг мембранные материалы получили такое широкое развитие? — подозрительно спросила я.

— Это связано с двумя основными проблемами. Вот посмотрите, — Андрей Борисович стал показывать мне график добычи нефти. — Сейчас (2008—2010 годы) мы находимся на пике, но скоро добыча нефти начнёт падать. А потребности в электро- и других видов энергии только увеличиваются! Это первая причина. Вторая — борьба мирового сообщества за экологию. Может быть, внимание к ней порой чересчур пристальное, но для науки это иногда не так уж и плохо. Как известно, автомобиль — не только средство передвижения, но и основной источник загрязнения (более 50 процентов всех веществ (оксиды углерода, азота, неокисленные частички бензина), загрязняющих атмосферу, — дело их «рук»). Поэтому одно из самых светлых намерений человечества — сделать автотранспорт куда более безопасным в экологическом отношении. С помощью водородной энергетики это вполне возможно! — Андрей Борисович показал ещё один график-прогноз, согласно которому где-то в 2020 году производство автомобилей на бензиновом двигателе начнёт резко сокращаться, а к 2030 году оно должно почти сравняться с количеством автомобилей, работающих на водородном топливе. Хотя прогноз Еврокомиссии ему кажется более реалистичным: к 2030 году на безопасном топливе будет работать 25 процентов автомобилей. — Но представьте масштабы этой отрасли, и вы поймёте, насколько важна данная проблема не только для экологии, но и для экономики. Уже сейчас топливные элементы начинают активно использоваться для питания различных портативных устройств — ноутбука, телефона, для обеспечения электроэнергией целых домов и так далее.

Рис.2. Схема работы топливного элемента: протонпроводящая мембрана (1), катализатор (2), газодиффузионный слой (3), анодный (4) и катодный газоподводящие каналы(5)

— В этих топливных элементах и нужны мембраны?

— Да. Общая схема работы топливного элемента выглядит так (рис. 2): на один из электродов мы подаём водород, который на платиновом катализаторе переходит в атомарное состояние. Далее за счёт градиента химического потенциала положительно заряженные ионы водорода оставляют свой электрон и движутся к другому электроду, где на таком же платиновом катализаторе взаимодействуют с кислородом. Но на этот электрод протон приходит уже с положительным зарядом, и, взаимодействуя с кислородом, образует нейтральные молекулы воды. Таким образом создается разнесение зарядов в пространстве и обеспечивается разность потенциалов, необходимая для протекания тока. Главная функция мембран — пропускать через себя протоны и не пропускать газы — топливо (водород, метанол, кислород и др.). Проводимость мембран при сравнительно низких температурах довольно сильно превосходит проводимость фактически всех известных твёрдых электролитов. К тому же, они обладают гораздо лучшими механическими свойствами. Впрочем, свойства мембран можно усовершенствовать. Например, с помощью формирования композитов.

— В чём же преимущества композитов?

— Так называемый композиционный эффект был открыт сравнительно недавно, в 1973 году, американским учёным с китайской фамилией Лианг. Он создал композит из двух веществ: иодида лития и оксида алюминия. Одно из них — слабый ионный проводник, другое — изолятор. С точки зрения химика, эти вещества друг с другом взаимодействовать не должны. Но композит вдруг приобрёл достаточно высокую ионную проводимость. Эффект объясняется сорбционными явлениями, которые протекают на границах раздела — за счёт этого вблизи них формируется множество дефектов в структуре кристалла, которые реально и являются носителями электрического (ионного) тока (теорию данного явления описал немецкий учёный Майер). Новосибирские учёные, которые в области протонпроводящих твёрдых композиционных электролитов (Николай Фастович Уваров и Валентина Георгиевна Пономарева) одни из лидеров в мировой науке, исследовали кислый сульфат цезия. Это хороший электролит, но только в узком интервале температур от «суперионного» фазового перехода при 140 градусах Цельсия и до плавления при 210 градусах. Им удалось показать, что при добавлении к нему мелкодисперсных оксидов кремния или титана, которые обладают достаточно хорошими сорбционными свойствами, можно весьма сильно повысить его проводимость и при низких температурах. Это очень важно, поскольку нам не надо нагревать топливный элемент для того, чтобы он начал работать.

Этот процесс можно сравнить с автострадой — в широких порах ионы перемещаются сравнительно быстро, а в узких каналах создаются своеобразные «пробки»

Обычно композиционные электролиты хороши тогда, когда сам электролит обладает не слишком высокой проводимостью. Но к преимуществам мембран относятся высокая ионная проводимость и хорошие механические свойства, обеспечивающие возможность получения тонких пленок, из которых формируется блок, дающий в итоге высокую мощность. Лучшими являются перфторированные мембраны типа Нафион, российский аналог которых производится фирмой «Пластполимер» в Санкт-Петербурге. Но и у них есть ряд недостатков: невозможность работы при высоких температурах (100оС) и необходимость увлажнения. При понижении влажности поры и каналы мембран теряют воду, сжимаются, и проводимость материала падает. Кроме того, водород в чистом виде отсутствует в природе. Самый дешёвый способ его получения заключается в термолизе воды с углем или различными углеводородами. В этом случае в качестве примеси образуется монооксид углерода, даже малейшие количества которого в водороде приводят к необратимому при температурах до 120оС отравлению платиновых катализаторов. Очистка такого водорода стоит весьма дорого. Катализатор мог бы очиститься, если нагреть его выше 120оС, но при этом мы потеряем мембрану...

Рис.3. Углеродные нанотрубки в матрице ионообменной мембраны. Фото д.т.н. Ю.Г. Юрокова

— Что же можно сделать?

— Как раз введение в мембрану некоторых наночастиц «убивает сразу двух зайцев» — повышает температуру её устойчивости (это позволяет катализатору очищаться от монооксида углерода) и проводимость при низкой влажности. Образно говоря, эти частицы упрочняют мембрану и, увеличивая размер пор, расширяют соединяющие их каналы, которые как раз и определяют скорость переноса протона. Этот процесс можно сравнить с автострадой — в широких порах ионы перемещаются сравнительно быстро, а в узких каналах создаются своеобразные «пробки». Именно эти пробки и определяют скорость движения. Расширяя их, мы ускоряем ионный перенос. Но для такой модификации нужны именно наночастицы, способные размещаться в порах мембраны. В принципе и сами поры могут расширяться за счёт введения в них наночастиц. Но это не очень хорошо. Лет 15 назад мы показали, что проводимость некоторых твердых электролитов существенно возрастает, если они сформированы из мелких частиц, размером 100 нм и меньше. Кроме того, свойства композита определяются поверхностью раздела образующих его частиц. Чем меньше частицы, тем больше площадь этих границ и тем больше собственно выигрыш за счёт композиционного эффекта. Именно поэтому для модификации мембран нужно использовать наночастицы, введение которых дает максимальный эффект (рис. 3).

— Насколько я понимаю, при выполнении проекта, финансируемого Роснаукой, Вы использовали мембраны с неоднородным распределением частиц. Для чего это нужно?

Группа сотрудников коллектива Андрея Ярославцева во время отдыха в Подмосковье

— Пару лет назад на XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии Михаил Валентинович Ковальчук рассказывал нам о своем видении перспектив нанотехнологий в России. В качестве одной из главных задач исследователей, работающих в этом направлении он отметил приближение получаемых объектов к биологическим. Сопоставляя свойства синтетических и биологических мембран, можно заметить, что главным отличием последних является анизотропия переноса в разных направлениях. Так, одна из самых известных естественных мембран — человеческая кожа — сравнительно легко пропускает влагу из организма во внешнюю среду, что предохраняет нас от перегрева, но практически не пропускает её в обратном направлении. Работа мышц основана на направленном переносе ионов кальция, в том числе и против градиента концентрации. Эти примеры можно продолжать. Идея заключалась в том, чтобы сделать мембраны с градиентным (неоднородным) распределением присадок, способных сорбировать ионы по толщине. В таком случае мы создаём внутри такой мембраны градиент концентрации дефектов и подвижных ионов, являющихся носителями тока. На примере «p-n» переходов в полупроводниках мы знаем, что в таких системах ток может протекать лишь в одном направлении. Применительно к мембранам это может, например, существенно повысить эффективность процессов водоочистки. Такие мембраны мы и создали в ходе выполнения проекта. Пока удалось получить не очень большой градиент концентраций, но желаемый результат был достигнут — скорость переноса ионов в различных направлениях отличалась до 50 процентов. Недавно мы запатентовали изобретение таких мембран. Увеличение анизотропии переноса — одна из интересных задач, над которой мы работаем.

Совместно с нашими коллегами из Кубанского государственного университета мы работаем над созданием мембран с модифицированной поверхностью для процессов водоочистки. И я полагаю, что у этого интересного направления большие перспективы.

В заключение мне хочется показать Вам фотографию моих коллег, которые, собственно говоря, и делают все то, о чём я сегодня рассказывал.

Справка STRF.ru:
Проект «Композиционные мембранные материалы с градиентным распределением включений наночастиц допирующих агентов» выполняется в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы»

РЕЙТИНГ

4.42
голосов: 12

Обсуждение