Функциональные нанокомпозиционные материалы на основе ионообменных мембран для альтернативной энергетики и систем водоочистки Федеральное государственное. - презентация

1 Функциональные нанокомпозиционные материалы на основе ионообменных мембран для альтернативной энергетики и систем водоочистки Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук Е.Ю. Сафронова, А.Б. Ярославцев I Гос. контракт от 28 июля 2010 г. «Нанокомпозиционные материалы на основе ионообменных мембран и оксидов кремния, циркония и церия» II Соглашение 8024 от 12 июля 2012 г. «Композиционные функциональные наноматериалы с асимметрией ионного переноса на основе гомогенных и гетерогенных ионообменных мембран»

2 2 ПЕРФТОРИРОВАННЫЕ СУЛЬФОСОДЕРЖАЩИЕ КАТИОНООБМЕННЫЕ МЕМБРАНЫ НЕДОСТАТКИ МЕМБРАН ТИПА НАФИОН ПРЕИМУЩЕСТВА МЕМБРАН ТИПА НАФИОН высокая ионная проводимость хорошие механические свойства химическая стабильность узкий интервал рабочих температур низкая проводимость при низкой влажности

3 Система пор и каналов в мембранах до и после модификации ПЭМ микрофотография мембраны МФ-4СК+SiO 2, полученной методом in situ Структура мембран типа Нафион ГИБРИДНЫЕ МЕМБРАНЫ 3

4 МФ-4СК+SiO 2 МФ-4СК+ZrO 2 МембранаE а, кДж/моль МФ 4СК 19,0±0,6 МФ 4СК + 1,5 мас.% SiO 2 14,1±0,7 МФ 4СК + 3 мас.% SiO 2 13,9±0,8 МФ 4СК + 5 мас.% SiO 2 21,6±0,4 МФ 4СК + 10 мас.% SiO 2 26,0±0,6 Энергия активации проводимости Зависимость ионной проводимости от содержания допанта, измеренные при 100% относительной влажности. I. ГИБРИДНЫЕ МЕМБРАНЫ МФ-4СК +MO 2 (M= Zr, Si, Ce) 4

5 ГИБРИДНЫЕ МЕМБРАНЫ МФ-4СК +MO 2 (M= Zr, Si, Ce) МФ-4СК+SiO 2 МФ-4СК+CeO 2 Зависимость ионной проводимости от относительной влажности. МФ-4СК МФ-4СК + SiO 2 Зависимость ионной проводимости от относительной влажности. 5

6 Зависимости коэффициентов диффузии H +, полученных из данных проводимости (1,2) и ЯМР с ИГМП (3,4) для мембран МФ 4СК (1,3), МФ 4СК+SiO 2 (2,4). D H (ЯМР с ИГМП) D H (проводимость) СОПОСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ ИМПЕДАНСНОЙ И ЯМР СПЕКТРОСКОПИИ 6 D H (ЯМР с ИГМП) D H (проводимость)

7 МОДЕЛЬ ОГРАНИЧЕННОЙ ЭЛАСТИЧНОСТИ СТЕНОК ПОР МЕМБРАНЫ 7

8 8 1Н,1Н, 2Н, 2Н-перфтордодецил Si OO O CH 2 CH 3 CH 2 (CF 2 ) 7 CF 3 Гидрофильная поверхность Гидрофобная поверхность Протон-акцепторные группы (-NH 2 ) Протон-донорные молекулы (гетерополикислоты, их соли) ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ДОПАНТА НА СВОЙСТВА ГИБРИДНЫХ МЕМБРАН

9 МФ 4СК (1) МФ 4СК+SiO 2 (2) МФ 4СК+SiO 2 +Cs x H (3-x) PW 12 O 40 (4) МФ 4СК+SiO 2 +H 3 PW 12 O 40 (3) 100% RH А - 1Н,1Н, 2Н, 2Н-перфтордодецил- 9

10 ИСПЫТАНИЯ В РЕЖИМЕ РАБОТЫ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА МФ-4СК+SiO 2 (1) и Нафион (2) в режиме работы топливного элемента. МФ-4СК+ZrO 2 (2,4) и Нафион (1,3) в режиме работы топливного элемента. T=80°C, RH=75% 10

11 Немодифицированный слой Модифицированный слой с наночастицами допанта Клеточная мембрана II. МЕМБРАНЫ, ОБЛАДАЮЩИЕ АСИММЕТРИЕЙ ИОННОГО ПЕРЕНОСА 11

12 МФ-4СК+SiO M HCl/H 2 O Содержание SiO 2 в модифицирован ном слое, % Коэффициент асимметрии 0.1M HCl/H 2 O (, %) Коэффициент асимметрии 0.1M NaCl/H 2 O (, %) P немод >P мод. HCl)> NaCl. С ростом содержания допанта наблюдается тенденция к увеличению. 12 Содержание ZrO 2 в модифицированном слое, % Коэффициент асимметрии 0.1M HCl/H 2 O (, %) =(P немод. -P мод. )/P мод. *100 (, %) МЕМБРАНЫ, ОБЛАДАЮЩИЕ АСИММЕТРИЕЙ ИОННОГО ПЕРЕНОСА

13 МЕМБРАНЫ, ОБЛАДАЮЩИЕ АСИММЕТРИЕЙ ИОННОГО ПЕРЕНОСА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОГЕННОЙ МЕМБРАНЫ МК-40 МК-40 МФ-4СК+допант 13 P, см 2 /сек Величины взаимной диффузии H + /Na + мембран МК-40 с тонким нанесенным слоем МФ-4СК+полианилин. Состав нанесенн ого слоя 0.1M HCl/H 2 O (, %) 0.1M NaCl/H 2 O (, %) МФ-4СК39 МФ-4СК+ SiO МФ-4СК+ ZrO МФ-4СК+полианилин МС- 40 0%1%2%3% МК-40 P MФ-4СК P МК-40

14 а) наличие градиента концентрации анионов внутри пор при переходе от немодифицированного слоя к модифицированному 1414 ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА АСИММЕТРИИ В МЕМБРАНАХ С НЕРАВНОМЕРНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ДОПАНТА ПО ТОЛЩИНЕ б) формирование асимметричных конусообразных пор на границе немодифицированный – модифицированный слой в результате изменения размера пор и каналов при модификации P2P2 P1P1 (сечение конуса) Модифицированная сторона (основание конуса) Немодифицированная сторона P 2 > P 1. Коэффициент асимметрии зависит от соотношения d2/d1. Apel P., Korchev Y.E., Siwy Z., Spohr R. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B V P Уменьшение концентрации анионов в системе пор и каналов.

15 В ходе выполнения двух проектов в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на гг. достигнуты следующие показатели: защищены 6 диссертаций на соискание ученой степени кандидата химических наук представлена к защите диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук (защита в ИОНХ РАН 29 октября 2013 г.) подготовлен образовательный курс «Мембраны и мембранные технологии», и дополнения к курсам «Физическая химия», «Химия твердого тела» подготовлено 3 методических пособия для студентов.