ИСТИНА

Проект направлен на выявление взаимосвязи между строением транспортных каналов, особенностями гидратации функциональных групп и трансляционной подвижностью катионов H+, Li+, Na+, Cs+ в новых ионообменных мембранах на основе полиэтилена с привитым сульфированным полистиролом (МСК) и в модельных системах - мембранах Нафион методами ЯМР и электрохимического импеданса. Принципиально важным для понимания механизма ионного и молекулярного транспорта в наноструктурных масштабах является получение зависимостей параметров трансляционной подвижности от влагосодержания и расстояния между функциональными группами, которое может изменяться посредством варьирования обменной емкости в широких пределах. Мембраны МСК обладают этим уникальным свойством, поскольку их обменная емкость и влагоемкость варьируется от менее 0,5 мг-экв/г до 4 мг-экв/г и от 18% до 73%, соответственно. Кроме того, метод синтеза этих мембран позволяет изменять распределение сульфокислотных групп по толщине мембраны при сохранении их одинаковой концентрации в мембране, то есть при сохранении величины обменной емкости. Такой широкий диапазон варьирования данных величин позволит получить детальные зависимости параметров электромассопереноса от концентрации ионогенных групп и влагосодержаний и, на основании их анализа, сформулировать оптимальный условия эксплуатации мембран в конкретных электрохимических устройствах. Для исследования гидратации мембран, определения чисел гидратации катионов, а также параметров трансляционной подвижности молекул воды и катионов, предполагается использовать широкий набор методов ЯМР, в частности, впервые будут измерены коэффициенты самодиффузии катионов щелочных металлов. Данные по самодиффузии будут сопоставлены с результатами измерения ионной проводимости методом импедансной спектроскопии. В результате проведенных исследований предполагается построение модели электромассопереноса с учетом особенностей строения транспортных каналов, взаимодействия ион - функциональная группа и подвижностей ионов и молекул в различных пространственных масштабах. Эксперименты по ЯМР будут проведены на современном методическом уровне с использованием ЯМР спектрометров AVANCE-III-500 и AVANCE-III-400 фирмы Брукер. Учитывая высокую чувствительность и разрешающую способность, реализуемую в современной ЯМР спектроскопии, появляется возможность провести исследование мембран при низких влажностях, что принципиально важно для выявления элементарных стадий ионного транспорта. В целом, такая постановка задачи представляется оригинальной и фундаментальной.

The project is due to reveal the interconnection between transport channel structure, ionogenic group hydration and cation H+, Li+, Na+, Cs+ translation mobility in novel ion - exchange membranes based on polyethylene and sulfonated grafted polystyrene (MSC) and in Nafion membrane as in model system by NMR and impedance spectroscopy. The dependences of translation mobility on water content and the distance between ionogenic groups, which is controlled by ion exchange capacity variation, are the key for ionic and molecular transport mechanism understanding in nano scales. MSC membranes have possessed this unique property. MSC membrane ion-exchange and moisture capacities are varied from less 0,5 mg-eq/g to 4 mg-eq/g and from 18% wt to 73% wt, correspondingly. The synthetic way gives possibility to change sulfonated group distribution supporting the same concentration. The wide range of these parameters variation will give opportunity to investigate electro and mass transfer characteristic dependences on sulfonate group concentration and water content in detail. These dependences analysis will let us find the optimal conditions of membrane applications in electrochemical devices. For hydration numbers calculation and water molecule and cation translation mobilities investigation the wide set of NMR techniques will be applied. The cation self-diffusion coefficients will be measured for the first time. NMR self-diffusion measurements will be compared with ionic conductivity obtained by impedance spectroscopy. As a result, the model of electro mass transfer, keeping in mind the diffusion channel structure peculiarities, charge group - cation interactions and ionic and water molecule mobilities in different spatial scales, will be proposed. The NMR measurements will be realized on the modern experimental level on AVANCE-III-500 and AVANCE-III-400 Bruker NMR spectrometers. Because of high spectrometer sensitivity and resolution the low water content measurements will be possible. These experiments are very important for ionic transport elementary stages understanding. It should be mentioned that this problem definition is original and fundamental.