Топливные элементы часто терпят неудачу, когда речь заходит о работе при температурах выше 100 °C из-за их зависимости от воды как среды, проводящей протоны. Чтобы преодолеть эту проблему, группа исследователей из Японии разработала новый водородно-связанный металлический комплекс в форме звезды, состоящий из иона рутения (III) и шести имидазол-имидазолатных групп. Полученный в результате мономолекулярный кристалл демонстрирует превосходную протонную проводимость даже при температурах до 180 °C и до -70 °C.

Поскольку мир движется к более экологичным и устойчивым источникам энергии, топливным элементам уделяется большое внимание. Главное преимущество топливных элементов заключается в том, что они используют водород, чистое топливо, и производят только воду в качестве побочного продукта при выработке электроэнергии. Этот новый и чистый источник электроэнергии мог бы заменить обычные литий-ионные аккумуляторы, которые в настоящее время питают все современные электронные устройства.

В большинстве топливных элементов используется мембрана Nafion ― ионная мембрана на основе синтетического полимера, которая служит твердым электролитом, проводящим протоны на водной основе. Использование воды в качестве среды для протонной проводимости, однако, создает серьезный недостаток для топливного элемента, а именно неспособность функционировать должным образом при температурах выше 100 ° C, температуре, при которой вода начинает кипеть, что приводит к падению протонной проводимости. Следовательно, существует потребность в новых протонных проводниках, которые могут эффективно передавать протоны даже при таких высоких температурах.

В недавнем прорыве группа исследователей из Японии, возглавляемая проф. Макото Тадокоро из Токийского университета науки (TUS) сообщил о новом высокотемпературном протонном проводнике на основе металлокомплекса имидазол-имидазолат, который демонстрирует эффективную протонную проводимость даже при 147 ° C. В исследовательскую группу входили доктор Фумия Кобаяси из TUS, доктор Томоюки Акутагава и доктор Норихиса Хосино из Университета Тохоку, доктор Хадзиме Камебучи из Университета Нихон, доктор Мотохиро Мидзуно из Университета Канадзавы и доктор Джун Миядзаки из Токийского университета Денки." Имидазол, азотсодержащее органическое соединение, приобрел популярность в качестве альтернативного проводника протонов благодаря своей способности работать даже без воды. Однако он имеет более низкую скорость переноса протонов, чем традиционно используемый Нафион, и плавится при 120 °C. Чтобы преодолеть эти проблемы, мы ввели шесть имидазольных фрагментов в ион рутения (III), чтобы создать новый металлический комплекс, который работает как мультипротонный носитель и обладает высокой температурной стабильностью", - объясняет профессор. Тадокоро, когда его спросили об обосновании их исследования, которое было впервые опубликовано онлайн 27 июня 2022 года в Chemistry - европейском журнале и размещено на обложке журнала.

Команда разработала новую молекулу, в которой три имидазола (HIm) и три имидазолата (Im^-) группы были присоединены к центральному иону рутения (III) (Ru³⁺). Полученный в результате мономолекулярный кристалл был очень симметричным и напоминал форму "вспышки звезды". Исследовав протонную проводимость этого металлического комплекса типа starburst, команда обнаружила, что каждая из шести имидазольных групп, присоединенных к Ru³⁺ ион действует как передатчик протонов. Это сделало молекулу в 6 раз более мощной, чем отдельные молекулы HIm, которые могли транспортировать только один протон за раз.

Команда также исследовала механизм, лежащий в основе высокотемпературной протонной проводимости молекул starburst. Они обнаружили, что при температуре более -70 °C протонная проводимость является результатом отдельных локализованных вращений HIm и Im-групп и перехода протонов к другим комплексам Ru(III) в кристалле через водородные связи. Однако при температурах выше 147 °C протонная проводимость возникает в результате вращения всей молекулы, что также отвечает за превосходную протонную проводимость при высоких температурах. Это вращение, подтвержденное командой с использованием техники под названием "твердотельный ²Н-ЯМР-спектроскопия" привела к увеличению коэффициента проводимости на три порядка (σ = 3,08 × 10^-5 С/см), чем для отдельных молекул HIm (σ = 10^-8 С/см).

Команда считает, что их исследование может послужить новым движущим принципом для твердотельных электролитов, проводящих протоны. Идеи, полученные в результате их нового молекулярного дизайна, могут быть использованы для разработки новых высокотемпературных протонных проводников, а также для улучшения функциональности существующих. "Топливные элементы - ключ к более чистому и экологичному завтрашнему дню. Наше исследование предлагает дорожную карту для улучшения характеристик этих углеродно-нейтральных энергетических ресурсов при высоких температурах путем проектирования и внедрения молекулярных протонных проводников, которые могут эффективно передавать протоны при таких температурах ", - заключает профессор. Тадокоро.