Изотопические эффекты при набухании протонообменной мембраны в смесях Н2О – D2O Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Изотопические эффекты при набухании протонообменной мембраны в смесях Н2О - D2O

Н.Ф. Бункин1,2, A.B. Шкирин1,3, C.B. Гудков1, A.A. Павленко2, Д.Д. Сидоров2, B.A. Козлов2

1 - Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН 2 - МГТУ им. Н.Э. Баумана 3 - Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

nbunkin@mail.ru

Целью настоящей работы являлось исследование полимерных протонообменных мембран на примере Нафиона. Интерес к таким исследованиям обусловлен высокой протонной проводимостью таких мембран, что используются в водородных топливных элементах и генераторах молекулярного водорода. Как было показано в работе [1], протонная проводимость Нафиона существенно меняется при добавках в исходный раствор содержащих серу комплексов уже на уровне единиц ppb. Таким образом, можно говорить, что Нафион является своего рода «лакмусовой бумажкой» для характеризации сверхмалых добавок в водные растворы. Несмотря на широкий интерес к исследованиям Нафиона, до настоящего момента не было проведено систематических исследований процесса набухания этой мембраны в смеси Н2О - D2O с содержанием дейтерия в диапазоне 1 - 106 ppm; этот диапазон соответствует всем возможным концентрациям дейтерия в воде; в обычной воде содержание дейтерия равно 157 ± 1 ppm (средний океанический стандарт). При набухании в мембране формируется сеть отрицательно заряженных каналов с диаметром 1 - 3 нм, внутрь которых проникают катионы, но отталкиваются анионы. Специфика набухания Нафиона в дейтерированной воде обусловлена размерными эффектами из-за близости размеров канала в мембране и первой координационной сферы в воде (~ 0,7 - 0,8 нм). Таким образом, отличие размеров атомов водорода и дейтерия может оказаться критическим при прохождении дейтерированной и обычной воды через мембрану. B работе будут изложены результаты исследований набухания мембраны Нафиона по методике фотолюминесцентной [2] и Фурье ИК-спектроскопии [3].

[1] F.H. Garzon, T. Rockward, I.G. Urdampilleta, E.L. Brosha, F.A. Uribe, The impact of hydrogen fuel contaminates on long-term PMFC performance, ECS Transactions, 3, 695-703, (2006).

[2] N.F. Bunkin, A.V. Shkirin, V.A. Kozlov, B.W. Ninham, E.V. Uspenskaya, S.V. Gudkov, Near-surface structure of Nafion in deuterated water, The Journal of Chemical Physics, 149, 164901 (2018).

[3] N.F. Bunkin, V.A. Kozlov, A.V. Shkirin, B.W. Ninham, A.A. Balashov, S.V. Gudkov, Dynamics of

Nafion membrane swelling in H2O/D2O mixtures as studied using FTIR technique // The

Journal of Chemical Physics, 148, 124901, (2018).