ИСТИНА

Создание недорогих полимерных материалов, обладающих высокой протонной проводимостью и в то же время непроницаемых для других катионов, является актуальной задачей в разработке мембран для электрохимических приложений. Такие материалы крайне востребованы, например, при создании проточных окислительно-восстановительных батарей, где одной из острых проблем является кроссовер электроактивных катионов через мембрану и, как следствие, потеря части заряда батареей и сопутствующее снижение энергоэффективности в цикле заряд-разряд. Для решения этой проблемы мы предлагаем создавать пористые полимерные матрицы, которые, с одной стороны, могли бы удерживать жидкий или твердый (в том числе полимерный) электролит в порах, а с другой, являться эффективным барьером для крупных катионов (особенно при использовании композитов), как за счет малого размера пор, так и за счет электростатического отталкивания (при использовании полиэлектролитов в качестве основы мембраны или функциональной добавки). Для создания и модификации пористых сред, а также создания на их основе композитов, наиболее перспективными представляются подходы, связанные с использованием сред вблизи критической точки, в том числе в сверхкритичекой области. В рамках проекта предлагается исследовать способы создания пор в полимерных матрицах различной природы (полибензимидазолы, полиолефины и др.) путем их экспозиции в сверхкритической среде с последующей быстрой декомпрессией, в результате которой происходит фазовое разделение в системе, сопровождающееся нуклеацией и ростом полостей с газовой фазой в толще полимера. В рамках настоящего проекта будет произведен поиск путей создания полимерных мембран для электрохимических источников тока путем синтеза и модификации полимеров в средах вблизи критической точки: как в сверхкритическом, так и в докритическом состоянии.В частности, будет произведен поиск путей создания пористых полимерных мембран с размерами пор порядка единиц/десятков нм путем выдерживания полимеров и полимерных композитов в среде сверхкритического СО2 (при повышенных давлении и температуре) и последующей контролируемой декомпрессии. Кроме этого, будет произведен поиск эффективных путей модификации пористых полимерных матриц путем экспозиции их в сверхкритической среде, содержащей раствор или дисперсию модификатора. Отсутствие в сверхкритической среде границы раздела жидкой и газообразной фаз позволяет избежать капиллярных эффектов и добиваться эффективной модификации пористых материалов. Однако, нужно отметить, что классическая схема сверхкритической (СК) импрегнации полимерных матриц различными функциональными добавками подразумевает необходимость растворимости добавки в СК флюиде – например, наиболее широко используемом диоксиде углерода (СО2) – что является существенным ограничением данного подхода. Поэтому в наших экспериментах также будет протестирован альтернативный подход. А именно, будет использована двухфазная система (жидкая фаза + СК фаза) -- например, смеси воды (спиртов и проч.) и СК СО2, но при этом импрегнация будет проходить из полярной фазы в полимерную матрицу, содержащую, в том числе, гидрофобные домены. Идея состоит в том, что многие гидрофобные полимеры хорошо набухают в СК СО2, пластифицируются, приобретают пористость и увеличенный свободный объем. Мы ожидаем, что такое же поведение гидрофобные участки матриц продемонстрируют, будучи погруженными в полярную фазу, которая, в свою очередь, будет контактировать со средой СК СО2. Поскольку СО2 при этих условиях демонстрирует определенную растворимость в полярной фазе, через посредство этой промежуточной фазы, при стремлении к термодинамическому равновесию, в гидрофобные участки полимерной матрицы войдут значительные количества СО2, сопоставимые с теми, которые входят в нее при непосредственном контакте с данной средой. Фактически, речь будет идти об установлении равновесия двух фаз: гидрофобными доменами полимерной матрицы и СК СО2, при интенсивном обмене между ними молекулами СО2, растворенными в полярной фазе. Тем самым, гидрофобные участки полимерной матрицы также набухнут, пластифицируются, приобретут внутреннюю пористость. Все это приведет к увеличенной сорбционной способности матрицы в целом. В эту пористую пространственно-неоднородную систему высоким приложенным давлением будет вдавлена полярная фаза, содержащая растворенную функциональную добавку. Тем самым будут созданы пористые полимерные композиты для электрохимических приложений.