Протонно-обменная мембрана на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1
Металлорганические каркасные структуры Протонно-обменные мембраны Водородная энергетика
Изобретение относится к области химии и химической технологии, а именно является электролитическим материалом для осуществления переноса положительно заряженных ионов водорода между электродами водородного топливного элемента. Таким образом данный материал является структурным элементом водородного топливного элемента.
Протонно-обменная мембрана на основе HKUST-1 и cульфированного мультиблочного сополимера полисульфона и полифенилсульфона является более гидрофильной по сравнению со своими аналогами, что обеспечивает быструю скорость восстановления после дегидратации. Толщина мембран сразу после синтеза составляет 38.8 микрометров и определена при помощи толщинометра при следующих стандартных условиях: 
•	Стандартное давление 105 Па
•	Стандартная температура 20 °С
•	Относительная влажность 30%
Металлоорганические каркасы (МОК) представляют собой уникальный класс кристаллических пористых материалов, где металлические центры соединены между собой органическими линкерами. Данный класс материалов может обладать большим размером пор, большой площадью поверхности, и возможностью функционализации, дополнительными гостевыми молекулами, изменяя или добавляя уникальные свойства, всё это благодаря высокой вариативности используемых структурных элементов.       
Использование металлоорганических каркасных структур для изготовления протонно-обменных мембран в первую очередь обусловлено их высокой удельной площадью поверхности и большим количеством пор. Имеется лишь небольшое количество статей исследовательских групп, использующих металлорганические каркасные структуры исключительно для модификации уже известных протонно-обменных пленок, все они опубликованы в течение последних 10 лет [3-5].         
Материал, который предполагается реализовать в протонно-обменных мембранах это HKUST-1. Металлорганическая каркасная структура HKUST-1 это нанопористый кристаллический материал, состоящий из кластеров атомов меди Cu II, и линкера 1,3,5-бензолтрикарбоксилата (BTC). Данная структура обладает высокой удельной площадью поверхности 1500-2100 м2/г и большим размером пор, что открывает возможности для запасания большого количества молекул воды внутри данного материала, что положительно сказывается на водопоглощении ионно-обменной емкости протонно-обменных мембран.           
Новизна разработки заключается в объединении мультиблочного сополимера полисульфона и полифенилсульфона SPES с металлорганической каркасной структурой HKUST-1. Так как используемый HKUST-1 является кристаллическим, создание пленки с необходимыми требованиями для использования в водородных топливных элементах возможно при помощи полимерного вещества также обладающего возможностью переноса заряженных ионов. Лучше всего для этой цели подходят иономеры на основе многоблочных поликонденсатов, а именно cульфированный мультиблочный сополимер полисульфона и полифенилсульфона. Объединение этих двух наноструктурированных материалов позволяет создать протонно-обменную мембрану, обладающую высокой ионной проводимостью благодаря увеличенному водопоглощению, которое обеспечивает присутствие металлорганической каркасной структурой HKUST-1 и всеми необходимыми свойствами для применения в водородных топливных элементах. Всё это благодаря cульфированному мультиблочному сополимеру полисульфона и полифенилсульфона.  
Технология создания протонно-обменной мембраны на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1 заключается в допировании cульфированного мультиблочного сополимера полисульфона и полифенилсульфона SPES кристаллитами металлорганической каркасной структуры HKUST-1, распределенными по объему мембраны. Металлорганические каркасные структуры, используемые в качестве аддитива, увеличивают водопоглощение данных мембран с 22% до 42% при температуре 30°C и с 31% до 74% при температуре 60°C близкой к температуре работы водородного топливного элемента, ионообменная емкость многоблочного полиэфирсульфона увеличивается с 1,62 до 1,93 (мэкв H+ г-1).
Техническим результатом является изготовление протонно-обменной мембраны на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1, которая будет использоваться в водородных топливных элементах для осуществления переноса положительно заряженных ионов водорода между электродами и выработки электроэнергии. Использование протонно-обменной мембраны на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1 обеспечивает повышение эффективности выработки электроэнергии топливными элементами, благодаря высокой ионной проводимости и обменной емкости. Повышение эффективности выработки электроэнергии водородными топливными элементами необходимо для расширения спектра применений данного типа источников питания. Так как водородные топливные элементы являются безопасным для окружающей среды способом получения электроэнергии, расширение области применения помогает сократить выброс угарного газа и положительно сказывается на экологии.
Михаил
Cолдатов
Александрович
Директор исследовательского центра
Кандидат физико-математических наук
Старший научный сотрудник
J-8371-2012
35270086700
650210
РОССИЯ
Иван
Горбань
Евгеньевич
Физическое лицо
РОССИЯ
44.41.29
Установки прямого преобразования химической энергии в электрическую
29.19.22
Физика наноструктур. Низкоразмерные структуры. Мезоскопические структуры
44.31.39
Водородная энергетика
02.04.II
ENGINEERING, CHEMICAL
01.04.UY
POLYMER SCIENCE
Иван
Горбань
Евгеньевич
Исполнитель
РОССИЯ
ФОНД СОДЕЙСТВИЯ ИННОВАЦИЯМ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФОНД СОДЕЙСТВИЯ РАЗВИТИЮ МАЛЫХ ФОРМ ПРЕДПРИЯТИЙ В НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СФЕРЕ"
1027739479734
СЕРГЕЙ
ПОЛЯКОВ
ГЕННАДЬЕВИЧ
Организация
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере"
Федеральные государственные бюджетные учреждения
Иван
Горбань
Евгеньевич
Физическое лицо
РОССИЯ