Американские физики разработали подробную компьютерную модель протонного проводника — уникального материала, способного транспортировать ионы водорода, и с её помощью вычислили оптимальное расположение пар атомов кислорода, которые участвуют в передаче этих ионов.
Результаты этих расчетов могут поспособствовать созданию топливных элементов с крайне высоким КПД, сообщили в пресс-службе Массачусетского технологического института (MIT). «Выводы наших вычислений могут быть применены для поиска перспективных протонных проводников в уже имеющихся крупных материалах, а также для разработки новых веществ, если подходящие по характеристикам проводники ещё не были получены. Их создание позволит значительно повысить эффективность и жизнеспособность «зеленой» энергетики, а также протонных вычислительных систем», — отметила профессор MIT Билге Йылдыз.
Как поясняют ученые, за последние десятилетия химики разработали множество материалов, которые способны выборочно пропускать протоны — ионы водорода — и не пропускать другие вещества. Такие материалы, именуемые протонными проводниками, активно применяются в производстве топливных элементов, каталитических систем и для решения различных промышленных и научных задач.
Основным недостатком этих материалов является то, что они либо быстро разрушаются в процессе эксплуатации, либо функционируют при очень высоких температурах, превышающих 400 градусов Цельсия. Это связано с тем, что при более низком нагреве окружающей среды протоны перемещаются через толщу проводников с крайне низкой скоростью, что ограничивает мощность топливных элементов и пропускную способность каталитических систем.
Физики разработали детализированную математическую модель, которая описывает процесс движения ионов водорода через толщу протонного проводника с учётом его структуры, температуры окружающей среды и других факторов. Используя этот набор уравнений, они рассчитали, как различные особенности в составе и характере связей между атомами протонного проводника влияют на скорость движения ионов.
Эти вычисления продемонстрировали, что на эффективность работы протонных проводников больше всего влияют два параметра — длина связей между ионами водорода и другими атомами, а также расстояние между соседними парами атомов кислорода и уровень «гибкости» их соединения с другими элементами. Понимание этих аспектов поможет отобрать наиболее эффективные протонные проводники из уже существующих материалов, а также создать принципиально новые вещества с подобными свойствами, подытожили ученые.
Фото: hi-tech.mail.ru