 Самые эффективные в мире топливные элементы для автомобилей могут быть разработаны благодаря попыткам исследовать, как движется заряд сквозь материал нового типа.
Этим сейчас занимаются исследователи в Ноттингемского университета и Манчестерского университета. Инженеры выявили структуру нового материала, известного, как металл-органическая каркасная структура, а также выяснили, как по этому материалу проходит электрический заряд.
Эффективность работы топливных элементов с полимерно-электролитной мембраной, которые используются в автомобильной промышленности, зависит от эффективности электролитного материала, находящегося в центре таких элементов. Этот электролитный материал контролирует то, как течет ток между позитивными и негативными электродами.
Таким образом, исследователи теперь пытаются увеличить эффективность таких устройств, разрабатывая «умные» электролитные мембраны, которые основаны на материалах, способствующих способному переносу электрического заряда.
Металл-органические каркасные структуры являются гибридными материалами, которые сделаны из частиц металла, связанных между собой лигандами. Лигандой называется атом, ион или молекула, в общем, любая частица, которая связана с неким центром, или, акцептором. У подобных материалов имеется огромное количество преимуществ, поэтому, ученые и хотят использовать их для создания умных электролитных материалов. Так считает доктор Шихай Янг, лидер группы, работающей над проектом в Манчестерском университете.
Первым делом, органические лиганды можно модифицировать, добавляя группы атомов (известные, как функциональные группы), например, такие, которые содержат водородные доноры, вещества, отдающие водород, для того, чтобы повысить электрическую проводимость материала, говорит ученый.
Затем, так как подобные материалы имеют пористую структуру, различные небольшие молекулы, которые играют роль переносчиков протонов, также могут проникнуть внутрь материалов сквозь их поры. Это усилит проводимость материалов еще больше.
И, что, возможно, самое важное, кристаллическая структура материалов позволяет исследователям детально изучать металл-органические каркасные структуры, в том числе, то, как они проводят электрический ток. Таким образом, у ученых появляется возможность лучше понять, как увеличить эффективность материалов.
Для того, чтобы достичь этого, команда разработчиков использовала мощный источник рентгеновского излучения, который расположен в графстве Оксфордшир в Великобритании на базе научного ускорительного комплекса Diamond Light Source. Исследователи использовали комплекс для того, чтобы рассмотреть атомарную структуру и функции одного из металл-органических каркасных материалов известного, как MFM-500(Ni).
Затем ученые использовали нейтроны на базе Совета по научно-техническому оборудованию Британии. Так исследователям удалось понять, как протоны движутся сквозь материал.
Группа ученых обнаружила, что, вопреки существующим предсказаниям о том, что протоны движутся через материал, «перепрыгивая» с одно место на другое, на самом деле, частицы свободно движутся внутри сфер.
Внутри структуры материала существуют сферические образования; они перекрывают друг друга. Такая организация позволяет протонам легко перемещаться внутри материала, говорит Шихай Янг. «Подобная структура дает частицам возможность трехмерного распространения», пояснят ученый.
Теперь британские исследователи планируют научиться оптимизировать радиус этих сфер, добавляет Шихай Янг. «Далее мы надеемся оптимизировать структуру металл-органических каркасных материалов для того, чтобы повысить плотность сфер. Таким образом, можно будет повысить протонную проводимость».
|
