Топливные ячейки не перестают будоражить умы исследователей. Однако ряд проблем так и остается не вполне решенным: низкая проводимость полимерной мембраны при низкой влажности и значительное изменение объема мембраны при изменении влажности. В частности, ученые предлагали заменить привычную мембрану из нафиона на мембрану из пористого кремния, но до сих пор не удавалось получить равномерно образовавшиеся поры и обеспечить самосборку в них молекул.
Свое решение вышеуказанной проблемы предложил коллектив американских исследователей. Прежде всего, исследователи отказались от привычного метода формирования и раскрытия пор в кремниевой мембране травлением плазмой. Вместо этого они предложили методом магнетронного напыления нанести слой хрома и золота на обратную сторону мембраны, который они соединили напрямую с анодом. После раскрытия пор слой хрома подвергается травлению, а слой золота отслаивается, что приводит к прекращению анодирования. После анодирования мембрана погружается в неионизированную воду для удаления из пор электролита, применявшегося в ходе анодирования.
Для обеспечения процесса самосборки внутри пор мембраны необходимо, чтобы они были покрыты гидратированным SiO2, для чего мембрана была вначале частично окислена при низкой температуре (300 0С), а затем опять погружена в неионизированную воду для образованием на поверхности пор групп –SiOH (рис.1). После этого авторами статьи был собран реактор (рис.2) с помощью которого поры в мембране были обработаны раствором (3-меркаптопропил)триметоксисиланом, с последующим окислением –SH групп до SO3H групп разбавленной азотной кислотой.
После завершения сульфонирования входное отверстие в порах было уменьшено нанесением слоя SiO2 методом плазменного нанесения атомных слоев (PD-ALD) вплоть до диаметра поры ~2 нм. Cлой SiO2 был нанесен только на наружную поверхность пор, а образовавшаяся «дополнительная» внутренняя поверхность пор была вновь обработана раствором (3-меркаптопропил)триметоксисиланом.
Последним этапом в получении мембраны является нанесение анодного и катодного катализаторов (нафион и платиновая чернь в смеси неионизированной воды и изопропилового спирта).
Для исследования электрохимических свойств авторами было собрано три ячейки: с использованием мембраны, полученной по выше описанной технологии (MEA-1), с той же мембраной, но без нанесения слоев SiO2 методом PD-ALD (MEA-2), и с привычной мембраной из нафиона (MEA-3). Стоит отметить, что проводимость мембраны MEA-1 остается практически постоянной при влажности вплоть до 20%, ниже которой проводимость начинает значительно падать. В случае с мембраной MEA-2 проводимость начинает резко падать уже ниже 50-60% влажности. Стоит упомянуть, что при влажности 95% проводимость мембран MEA-1 и MEA-2 выше проводимости MEA-3 в 3.5 и 4.8 раза соответственно (рис.3). (Правда, авторы статьи отмечают, что мембрана из нафиона была подвергнута горячему прессованию, что, как известно, негативно сказывается на его проводимости.)
Эксперименты продолжаются в надежде придумать и реализовать новые типы мембран для создания эффективно действующих топливных элемннтов. Это интересно и перспективно!
