Понимание того, как протоны двигаются сквозь мембраны, поможет найти решение одной из ключевых проблем на пути практического внедрения топливных ячеек, которые считаются весьма многообещающими устройствами для запасания, переноса и конвертации энергии (из химической в электрическую).

К сожалению, топливные ячейки сейчас слишком дороги. И если бы удалось разработать мембраны, способные выдержать более высокие температуры и позволяющие протонам свободно проходить сквозь себя, то можно было бы отказаться от использования дорогостоящей платины. (Но тогда кто и как будет нагревать такие ячейки?..)

Рис. 1. Альтернативная мембрана образована гидрофобными перфторированными молекулами (зелёный слой), боковые гидрофильные цепи которых содержат сульфогруппы (синий слой), обращённые внутрь водного канала (голубой слой). (Иллюстрация RSC).

Разработку альтернативных устройств сотрудники Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) начали с компьютерной симуляции нескольких тысяч молекул, которые могли бы пригодиться при производстве мембран топливных ячеек.

При этом учёные анализировали влияние самых разных молекулярных параметров, включая длину боковой цепи, которая всегда заканчивалась сульфонатной группой, обращённой к находящейся внутри мембраны водной фазе.

Простая логика подсказывает, что использование молекул, содержащих более короткие боковые цепи, приведёт к образованию более широкого центрального водного канала и даст протонам больше свободы для движения, позволяя им двигаться быстрее. Если бы! Учёные с удивлением обнаружили, что длина боковой цепи не играет тут ровным счётом никакой роли. Слишком длинные цепи просто складываются, не оказывая блокирующего воздействия на водный канал.

Теоретические данные были подтверждены экспериментом, в ходе которого испытывалось несколько мембран на основе перфторированных сульфоновых кислот с разной длиной боковой цепи, несущей сульфонатную группу.

Ну а сейчас учёные исследуют ещё один открытый ими любопытный эффект — малопродуктивное перемещение протона между сульфонатными группами. Кроме того, они заинтересовались возможностью повышения эффективности трансфера протонов в случае замены воды на ионную жидкость.

Подробнее с результатами работы можно ознакомиться в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.