Твёрдые полимерные электролиты: структура, свойства и применение

Конструкция водород-кислородных топливных элементов с ТПЭ принципиально не отличается от схемы электролизёра. Топливом здесь служат газообразные водород и кислород, реакции на электродах протекают в обратном направлении по сравнению с реакциями при электролизе, продуктами же являются дистиллированная вода и электрическая энергия. Существуют лишь различия в составе каталитических слоёв на границах раздела электроды/ТПЭ и конструкции электродов. Однако КПД топливных элементов с ТПЭ, известных к настоящему времени, не превышает 50%, а напряжение составляет лишь 0,8 В. Это вызвано в первую очередь низкой эффективностью протекания реакции электровосстановления кислорода при сравнительно низких температурах (80–90°С) функционирования данных устройств. Серьёзным препятствием на пути широкого распространения топливных элементов является также высокая цена получаемой с их помощью электроэнергии — от 3 до 8 тыс. долларов за 1 кВт. Тем не менее топливные элементы с ТПЭ вследствие своих уникальных качеств(безопасности, экологической чистоты и компактности) нашли применение на подводных и космических кораблях, где их используют для получения пресной воды и электрической энергии.

Химическая модификация  электродов с помощью ТПЭ

Суть химической модификации электродов, сравнительно нового направления электрохимии, можно пояснить на следующем примере. Предположим, что необходимо провести реакцию электрохимического восстановления вещества Ox: Ox + e ^– → Red. Однако данная реакция на известных электродных материалах (реальный выбор которых, кстати, невелик) протекает с низкой скоростью. Выход известен — подбор катализатора, повышающего скорость реакции и иммобилизация его в реакционной зоне, то есть на границе раздела электрод/электролит. Собственно, одной из основных задач химической модификации электродных поверхностей и является организация эффективного протекания электрохимических процессов с помощью катализаторов, находящихся в модифицирующем слое. 

Предположим далее, что такой катализатор найден — некое вещество А (рис. 5). Нанесём слой ТПЭ на поверхность электрода и методом ионного обмена внедрим в него катализатор, заместив часть катионов натрия, находящихся в мембране. В этом случае реакция восстановления вещества Ox будет протекать не на поверхности электрода, а на границе раздела ТПЭ/раствор:Ox + A → Red + A ⁺. Катализатор возвращается в исходную форму, восстанавливаясь на электроде: А ⁺ + е ^– → A. Однако для этого катион А ⁺ должен переместиться через слой полимера к электроду и, восстановившись, вернуться обратно к границе раздела полимер/раствор.

Механизм переноса заряженных частиц или просто заряда через слой полимера является ключевым вопросом, определяющим функционирование химически модифицированных электродов. Скорость переноса заряда часто определяет скорость электрохимических и каталитических процессов с участием ХМЭ, именно поэтому процессы переноса заряда в полимерах были и являются предметом многочисленных исследований.

В рассматриваемом примере катион А⁺ может достичь поверхности электрода по двум механизмам, первым из которых является физическая диффузия. Движущей силой диффузии является градиент концентрации А⁺ в ТПЭ в направлении, перпендикулярном поверхности электрода. Этот градиент возникает вследствие уменьшения концентрации А⁺ у поверхности электрода из-за электрохимического восстановления ЭАВ. Однако физическая диффузия практически всех катионов (за исключением H ⁺ и Na ⁺) в ТПЭ „Nafion“ протекает медленно, скорость движения резко падает с увеличением размера и заряда ионов. Скорость диффузии комплексных катионов в „Nafion“ обычно характеризуется низкими коэффициентами диффузии в диапазоне 10^–11 —10^–13  см ²/с. Низкая скорость транспорта заряда делает малоэффективным и весь процесс на ХМЭ в целом.

Альтернативным механизмом, позволяющим А⁺ из глубины мембраны „достичь“ поверхности электрода, является обмен электроном между близлежащими молекулами вещества А: A⁺ + А → А + A⁺. Восстановившись на электроде, ближайшая к нему молекула восстанавливает соседнюю и т. д. до границы раздела полимер/раствор. Разумеется, это возможно только в том случае, если расстояние между молекулами А в ТПЭ достаточно мало для переноса электрона, то есть концентрация А достаточно велика.

Относительный вклад переноса электрона (электронной проводимости) и диффузии в общий процесс переноса заряда в электрохимических системах, содержащих растворы электролитов, был рассмотрен Дамсом (H. Dahms) и Раффом (I. Ruff) в конце 70-х — начале 80-х годов. Аналогичная теоретическая модель переноса заряда была несколько позднее развита и для ТПЭ. Скорость процесса переноса заряда в рамках рассматриваемой модели может быть выражена через коэффициент диффузии заряда D_ct , состоящий из двух слагаемых:

D_ct = D  + kδ ² πC_A/4,

где D  — коэффициент реальной диффузии вещества А в полимере, k  — константа скорости процесса обмена электроном, л·моль ^–1 ·с ^–1,С_А  — концентрация вещества А в полимере, δ — расстояние между редокс-центрами, на которое переносится электрон.

Относительный вклад обеих  составляющих транспорта заряда можно  показать на следующих примерах. Так, в растворах электролитов при С_А  = 0,1М, δ = 10 ^–7  см, k  = 10 ⁹  см ³ ·моль ^–1 ·с ^–1  вклад электронного переноса составляет 8·10 ^–9  см ² ·с ^–1. Эта величина значительно меньше коэффициентов физической диффузии веществ, обычно наблюдаемых в водных растворах ~10 ^–6  см ² ·с ^–1. Иначе говоря, вклад электронного переноса в общий процесс переноса заряда в водных растворах незначителен. Дело обстоит иначе в ТПЭ, где физическая диффузия веществ, естественно, протекает с меньшей скоростью. Так, в системе, состоящей из комплекса [Ru(bipy)₃] ²⁺  введённого в ТПЭ „Nafion“, коэффициент диффузии заряда D_ct, равный 4·10 ^–10  см ² ·с ^–1, складывается из величин 0,3·10 ^–10  см ² ·с ^–1  и 3,7·10 ^–10  см ² ·с ^–1, отражающих соответственно физическое движение комплекса в полимере и электронный перенос заряда. Таким образом, в полимерных электродах для повышения эффективности протекающих на них процессов необходимо стремиться к организации наряду с диффузионным и электронного переноса заряженных частиц через полимер.

Перспективные области применения полимерных электродов весьма разнообразны:

— электрохромные устройства — системы, изменяющие свой цвет при изменении подаваемого на них электрического сигнала. Основой электрохромных устройств являются оптически прозрачные электроды (кварцевые пластины с прозрачным электропроводным слоем оксидов олова и индия). В ТПЭ, нанесённый на этот электрод, вводится электроактивное вещество, способное изменять свой цвет при электрохимическом окислении или восстановлении. Подобные устройства применяются, в частности, как оптические фильтры с регулируемой интенсивностью поглощения света;  
— сенсорные устройства, работающие аналогично электрокаталитическим системам, принцип действия которых описан в этом разделе(см. рис. 5). Задача сенсорных устройств — мониторинг окружающей сенсор среды, информирование о появлении в ней определённого вещества и его концентрации. Так, при появлении во внешней среде вещества Ox (см. рис. 5) концентрация вещества А в ТПЭ будет уменьшаться за счёт реакции с ним (разумеется, вещество А в этом случае должно быть подобрано так, чтобы быстро и селективнореагировать с Ox). Уменьшение концентрации А в ТПЭ приведёт к изменению потенциала ХМЭ или протекающего через него тока. К настоящему времени на основе полимерных электродов разработаны сенсоры, реагирующие на водород, сероводород, углекислый газ, кислород;  
— модельные фотоэлектрохимические преобразователи, то есть устройства, преобразующие энергию света в электрическую за счёт протекания в них фотохимических и электрохимических реакций.

Заключение

Появившись сравнительно недавно, твёрдые полимерные электролиты уже послужили основой для создания новых электрохимических устройств, характеризующихся отсутствием жидкого агрессивного электролита, уменьшенными массогабаритными характеристиками, высокой степенью надёжности и экологической безопасности. Большое число исследований, ведущихся в области ТПЭ и химически модифицированных электродов научными группами всего мира, обещает получение в ближайшем будущем новых революционных результатов в энергетике, создание новых типов оптоэлектронных и логических компьютерных устройств, биомедицинских микросенсорных систем.

Литература

1. Gray F.M. Solid Polymer Electrolytes: Fundamental and Technological Applications // VCH Publ. Inc. N.Y., 1991. 215 p. 
2. Hamann C., Hamnett A., Vielstich Electrochemistry // Wiley-VCH, Weinheim, N.Y., 1998. 423 p. 
3. Hillman A.R. Polymer Modified Electrodes: Preparation andCharacterisation, in: Electrochemical Science and Technology of Polymers-1 // Elsevier Applied Science, London, N.Y., 1990, P. 102–240.