Информация по проекту АР14871389 «Разработка научных основ технологии изготовления наномембраны для сепарации протонов в топливном элементе», выполняемого в рамках грантового финансирования на 2022-2024 годы

Актуальность. Для прогресса нашего общества необходимы современные технологические предприятия с инновационными энергетическими инфраструктурами, соответствующими текущей мировой экологической политике. Большая часть потребности в энергии компенсируется за счет невозобновляемых источников энергии, таких как уголь, нефть и природный газ. Эти источники энергии конечны и скоро будут исчерпаны, если их использование не будет ограничено. Разработка и внедрение энергетических структур на основе возобновляемых источников энергии является лучшей альтернативой, поскольку они могут не только решить проблему энергетического кризиса, но и значительно улучшить нашу экосистему. В связи с этим, весьма перспективны такие электрохимические устройства для извлечения и хранения зеленой энергии из возобновляемых ресурсов как, суперконденсаторы, топливные элементы и батареи. Среди этих устройств топливный элемент с протонообменной мембраной идентифицируется как потенциальный кандидат для преобразования энергии из-за его высокой плотности энергии, заметной работоспособности, одинаковой производительности как для больших, так и для маленьких устройств.

Применение топливных элементов с протонообменными мембранами весьма обширно, это транспорт, стационарные электрогенераторы, источники бесперебойного питания, портативные компьютеры и др. Однако их крупномасшабное производство имеет ряд ограничений технологического характера и экономическими нецелесообразно. Основными недостатками, наиболее часто используемой на сегодняшний день мембраны (Nafion Chemours) в топливных элементах, являются их высокая стоимость, высокий переход метанола, сложность синтеза и обработки. Мембрана Nafion обладает превосходной оптимизацией топливного элемента с протонообменной мембраной при температуре ~ 80 °C. Однако, при понижении температуры, а также при повышении ее выше 100 °С мембранно-электродные сборки на основе нафиона неудовлетворительны, поскольку снижается ее протонная проводимость, электрохимическая стабильность и механическая прочность. Кроме того, мембрана Nafion изготовливается из опасных для здоровья человека и окружающей среды ядовитых веществ (Hazard Statement H319, H335; Precautionary Statements P261, P264, P271, etc).

Цель проекта изготовление на основе мультислойного оксида графена энерго-эффективной наномембраны протонообменного топливного элемента с улучшенными механическими, термическими и электрическими свойствами посредством облучения ионными пучками газовых кластеров.

Задачи проекта:

1. Синтез слоев оксида графена модифицированным методом Хаммерса и вакуумной фильтрации; ожидаемые результат: слои восстановленного оксида графена с количеством листов 15-20, с однородной топологией поверхности и межслойной структурой.
2. Характеризация атомной структуры исходных необлученных слоев оксида графена методами SEM, HRTEM, XRD, XPS, NMR, SAXS, Рамановской спектрокопии, FTIR; ожидаемые результаты: электронные SEM-, HRTEM-снимки, энергодисперсионные спектры и элементный состав образцов, дифракционные картины образцов, параметры ближнего и среднего порядка атомной структуры образцов, Рамановские и ИК спектры, колебательные структурные единицы образцов.
3. Облучение ультратонких пленок оксида графена кластерными ионами газов O₂, CO₂, N₂ на ускорителе nAccel 100; в процессе выполнения этой задачи будут выявлены основные закономерности процессов формирования наноканалов и нанопор в зависимости от сорта, дозы, энергии, угла падения газовых кластерных пучков.
4. Характеризация атомной структуры облученных образцов оксида графена. Ожидаемые результаты: электронные снимки и спектры образцов, распределение диаметров нанопор и наноканалов в образцах, их плотность.
5. Оптимизация процесса облучения ультратонких пленок оксида графена на ускорителе nAccel 100. Ожидаемые результаты: интерфейс параметров кластерного облучения, обеспечивающий эффективное сшивание слоев оксида графена и создание нанопор диаметром ~ 1 нм.
6. Изготовление наномембраны. Ожидаемый результат: мультислойный оксид графена со сшитыми в поперечном направлении слоями (10-15 слоев) и сетью наноканалов и нанопор с диаметрами ~ 1 нм.
7. Атомно-слоевое осаждение (ALD) платиновых анодных и катодных электродов мембраны. Ожидаемый результат: мембранные электроды из платины с однородным анодным и катодным осаждением после 100 циклов ALD, с высокой удельной мощностью.
8. Валидация протонообменных свойств наномембраны. Ожидаемые результаты: температурные зависимости протонной и электронной проводимости мембраны, мембранных электродов.
9. Изготовление прототипа топливного элемента. Ожидаемые результаты: прототип топливного элемента, состоящий из мембраны на основе 10-15 пористых слоев окисда графена, платиновых электродов, и композитных газодиффузионных слоев с улучшенной электропроводностью, тепловыми и механическими свойствами

В проекте участвуют 5 человек, из них научный руководитель проекта – доктор философии (PhD) Алмасов Нурлан Жумабекович. Имеет более 10 научных публикаций в журналах, входящих в базы данных Web of Science и Scopus. Автор более 30 научных публикаций, 5 патентов.

Также, из 5 сотрудников 1 – кандидат наук, 4 – магистра.

При этом из 5 человек 3 являются молодыми учеными.

Ожидаемые результаты программы.

• научные основы технологии изготовления мембраны на основе оксида графена с многочисленными и равномерно распределенными участками с высокой протонной проводимостью, превосходящей проводимость мембраны Nafion более чем в два раза;
• значительное улучшенние механических и термических свойств, устоичивости к агрессивным химическим средам мембраны на основе оксида графена;
• прототип топливного элемента на основе вышеуказанной мембраны;
• не менее 3 (трех) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 35 (тридцати пяти);
• не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСНВО;
• казахстанский патент на вышеуказанную технологию.

Разработка технологий создания эффективных наномембран из экологически безопасных и перспективных материалов с перспективой их дальнейшей коммерциализации, позволит заложить основы отечественной отрасли производства, способствуя развитию экономики и научного потенциала страны.

Разработка прототипа мембраны для топливного элемента будет основой для коммерциализации продукта с высокой технологической и добавленной стоимостью.

Результаты и опыт, полученные в ходе научных исследований и разработок инженерной модели наномембраны, послужат значительным стимулом для высокотехнологичного производства отечественной наноиндустрии, что в свою очередь станет необходимой основой для экономического развития в этом секторе с дальнейшей коммерциализацией проектов, разработкой маркетингового плана и выходом на рынок отечественной продукции. Целевым потребителем результатов станет прежде всего автомобильная промышленность РК.

За отчетный период 2022 год командой научных работников проведены следующие работы:

— Были синтезированы слои восстановленного оксида графена с количеством листов 15-20, с однородной топологией поверхности и межслойной структурой.

— Получены электронные SEM-, HRTEM-снимки,  энергодисперсионные спектры и элементный состав образцов, дифракционные картины образцов, параметры ближнего и среднего порядка атомной структуры образцов, Рамановские и ИК спектры, колебательные структурные единицы образцов; написан отчет, и статья для рецензируемого зарубежного или отечественного издания, рекомендуемого КОКСНВО: «Исследование особенностей атомной структуры модифицированного оксида графена, полученного методом Хаммерса».

https://chemjournal.kz/index.php/journal/article/view/503

https://orcid.org/0000-0003-2183-3389

— Сделан устный доклад на тему «Перспективы использования углеродных наноматериалов для разработки мембран топливных элементов», Международная конференция по водородной энергетике, Москва, 27 октября 2022 г.

https://ih2con.com/#rec488608935

— Сделан постерный доклад на тему «Effects of Electron Beam Irradiation on the Hardness and Wear Resistance of PEEK», Online 6th International Conference on Materials Science & Engineering, November 10, Dubai, 2022.

https://materialscienceconferences.com/2022/programschedule

— Получена предварительная оценка процессов формирования наноканалов и нанопор в зависимости от сорта, дозы, энергии, угла падения газовых кластерных пучков; написан отчет.

— Подготовлена статья «An investigation of proton conductivity of graphene oxide based proton exchange membranes using molecular dynamics simulations» в рецензируемом научном издании, индексируемом в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющий процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 35 (тридцати пяти);

-Написана статья «Effects of Electron Beam Irradiation on the Hardness and Wear Resistance of PEEK» для рецензируемого отечественного издания, рекомендуемого КОКСНВО.

В настоящее время проводится дальнейшая работа по выполнению поставленных целей и задач по проекту «Разработка научных основ технологии изготовления наномембраны для сепарации протонов в топливном элементе».