Новый материал ускорил перенос протонов в водородных топливных элементах

Исследователи Пекинского технологического института и их коллеги разработали материал, который ускоряет перенос протонов в каталитическом слое водородного топливного элемента с протонообменной мембраной (PEMFC). Работа опубликована 10 сентября 2026 года в журнале Science. В ней органические открытые каркасы объединены с иономером Nafion.

Что изменили исследователи

Авторы сформировали границы между кислотными группами и основными центрами: интерфейсы «кислота Бренстеда — основание Льюиса». В ограниченном пространстве таких структур возникают пути последовательной передачи протонов. Меняется организация водородных связей и водной сети, а перенос заряда требует меньшего энергетического барьера.

В аннотации статьи приведены следующие результаты по сравнению с Nafion: коэффициент самодиффузии протонов вырос примерно на порядок, протонная проводимость — в 6,5 раза, энергия активации снизилась на 55%. При сочетании материала с коммерческим катализатором — платиной на углеродном носителе (Pt/C) — номинальная мощность в исследованном режиме оказалась в четыре раза выше базового варианта.

Почему важен каталитический слой

В PEM-топливном элементе водород на аноде разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят через электролит, электроны движутся по внешней цепи и создают электрический ток. На катоде кислород принимает электроны и соединяется с протонами с образованием воды. Поэтому результат зависит не только от активности катализатора, но и от того, насколько быстро к месту реакции поступают все необходимые участники.

Каталитический слой представляет собой сложную среду: в нём должны одновременно работать пути для газа, ионов и электронов. Иономер помогает доставлять протоны к активным участкам. Когда этот перенос затруднён, возникают дополнительные потери напряжения. Улучшение локальной проводимости может уменьшить такие потери даже при использовании уже существующего катализатора.

Университетский пресс-релиз поясняет, что кислотные группы Nafion, основные центры каркаса и вода образуют своеобразную эстафету передачи протонов. Для исследования структуры команда использовала электронную микроскопию, трёхмерные реконструкции и анализ распределения элементов. Это позволяет связать наблюдаемые свойства с устройством материала на малых масштабах.

Как правильно понимать результаты

Разработка относится к протонопроводящей среде каталитического слоя PEMFC. Сообщение о ней не означает, что уже выпущена новая самостоятельная протонообменная мембрана или готовый коммерческий топливный элемент. Мембрана разделяет электроды и обеспечивает перенос ионов между ними; иономер в каталитическом слое помогает этим ионам добраться до поверхности катализатора.

Четырёхкратное увеличение мощности относится к сравнению, выполненному авторами в заданных условиях. Его нельзя автоматически переносить на любой автомобиль, стационарную электростанцию или серийный стек. Для такой оценки необходимо сопоставлять рабочее напряжение, температуру, влажность, давление газов, содержание платины и конструкцию мембранно-электродного блока.

Также рост проводимости в 6,5 раза не равен увеличению общего КПД установки в 6,5 раза. Проводимость характеризует движение ионов в материале, а КПД системы зависит от суммарных потерь и расхода энергии на вспомогательное оборудование. Это разные показатели, полезные на разных этапах разработки.

Значение для водородной энергетики

Работа показывает перспективное направление исследования: улучшать перенос протонов непосредственно около каталитических центров. Для оценки практического применения важны длительная работа под нагрузкой, устойчивость при изменении влажности, воспроизводимость изготовления и стоимость производства. Отдельный вопрос — сохранение свойств при переходе от лабораторного образца к большим электродам и многосекционному стеку.

Иллюстрация: схема переноса протонов, опубликованная Пекинским технологическим институтом. Слева — кислотный иономер, справа — система с кислотно-основными интерфейсами и ограниченными водными цепочками. Надписи на оригинальной схеме — на китайском языке.

Русская редакционная версия по аннотации научной статьи и официальному сообщению университета. DOI: 10.1126/science.adp3564; PMID: 42721239.