Çikaqo Universitetinin Pritzker Molekulyar Mühəndislik Məktəbinin (UChicago PME) və Nyu-York Universitetinin Tandon Mühəndislik Məktəbinin tədqiqatçıları suyun yüklü ionları yanacaq hüceyrələri və redoks axını batareyaları kimi təmiz enerji texnologiyalarının kritik komponenti üzərində necə daşıdığını anlamaqda irəliləyiş əldə ediblər.

Elm adamları əvvəllər anion mübadiləsi membranı (AEM) adlanan bu komponentin zamanla membranların strukturunu zəiflədə bilən yüksək səviyyədə sərbəst axan su tələb etdiyini düşünürdülər. Bununla belə, yeni araşdırma göstərir ki, ionların sürətli daşınması yüksək səviyyədə sərbəst su tələb etmir.

Bunun əvəzinə, AEM-lər membran daxilində yaxşı əlaqəli su molekulları şəbəkələrini yaratmaq və eyni zamanda ionların ətrafında dinamik bir su qabığını təmin etmək üçün kifayət qədər su istifadə etməklə optimallaşdırıla bilər.

Tədqiqat Nature Communications jurnalında dərc olunub .

UChicago PME Prof. Paul Nealey, yeni məqalənin baş müəllifi, “Bizim araşdırmamız enerji membranlarında sürətli ionların daşınması üçün artıq sərbəst su tələb etməsi ilə bağlı uzun müddətdir mövcud olan fikrə qarşı çıxır – əslində, vacib olan su şəbəkəsinin strukturudur, təkcə miqdar deyil”.

“Bu tədqiqat bizə enerji membranlarını optimallaşdırmaq üçün molekulyar səviyyəli plan təqdim edir, bizi daha səmərəli yanacaq hüceyrələrinə, daha yaxşı batareyalara və daha davamlı enerji saxlama həllərinə bir addım daha yaxınlaşdırır” dedi keçmiş UChicago PME Prof. Juan de Pablo, hazırda Nyu York Universitetində və eyni zamanda böyük müəllif.

İonların axınına diqqət yetirir

AEM-lər müsbət yüklü molekullarla birləşdirilən nazik, xüsusi hazırlanmış materiallardır. Bu müsbət yüklü molekullar mənfi yüklü ionları (anionlar adlanan) membran vasitəsilə cəlb etməyə və istiqamətləndirməyə kömək edir, eyni zamanda kation adlanan müsbət yüklü ionları dəf edir. Membranlar digər reaksiyaları gücləndirmək üçün AEM-lərin yaratdığı yük fərqlərindən istifadə edən müxtəlif elektrokimyəvi cihazlarda istifadə olunur (məsələn, kimyəvi enerjini yanacaq hüceyrələrində elektrikə çevirmək və ya su elektrolizatorlarında təmiz yanacaq əldə etmək üçün suyun parçalanması kimi).

https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?gdpr=0&us_privacy=1—&gpp_sid=-1&client=ca-pub-0536483524803400&output=html&h=135&slotname=2793866484&adk=675901022&adf=746485419&pi=t.ma~as.2793866484&w=540&abgtt=6&fwrn=4&lmt=1741240531&rafmt=11&format=540×135&url=https%3A%2F%2Ftechxplore.com%2Fnews%2F2025-03-ion-membranes-insights-energy-technology.html&wgl=1&uach=WyJXaW5kb3dzIiwiMTkuMC4wIiwieDg2IiwiIiwiMTMzLjAuNjk0My4xNDIiLG51bGwsMCxudWxsLCI2NCIsW1siTm90KEE6QnJhbmQiLCI5OS4wLjAuMCJdLFsiR29vZ2xlIENocm9tZSIsIjEzMy4wLjY5NDMuMTQyIl0sWyJDaHJvbWl1bSIsIjEzMy4wLjY5NDMuMTQyIl1dLDBd&dt=1741240529653&bpp=1&bdt=121&idt=372&shv=r20250303&mjsv=m202502260101&ptt=9&saldr=aa&abxe=1&cookie=ID%3D594147a00c618f4c%3AT%3D1735548631%3ART%3D1741240463%3AS%3DALNI_MYbuCvlfveSCnpeUIQKyQ2DBT11fQ&gpic=UID%3D00000f84124e2904%3AT%3D1735548631%3ART%3D1741240463%3AS%3DALNI_Maf8g334ShSARz9IhljaNTJv-vUzg&eo_id_str=ID%3D639b28d7655b7aa4%3AT%3D1735548631%3ART%3D1741240463%3AS%3DAA-Afjakj_-HiAALGKSfOxRJbP3s&prev_fmts=0x0&nras=1&correlator=2579631175875&frm=20&pv=1&rplot=4&u_tz=240&u_his=1&u_h=864&u_w=1536&u_ah=816&u_aw=1536&u_cd=24&u_sd=1.25&dmc=8&adx=395&ady=1971&biw=1519&bih=730&scr_x=0&scr_y=0&eid=31090746%2C95352053%2C95354310%2C95354322%2C95354337%2C95353782&oid=2&pvsid=867057805334600&tmod=1474946566&uas=0&nvt=1&ref=https%3A%2F%2Fphys.org%2F&fc=1920&brdim=0%2C0%2C0%2C0%2C1536%2C0%2C1536%2C816%2C1536%2C730&vis=1&rsz=%7C%7CpeEbr%7C&abl=CS&pfx=0&fu=128&bc=31&bz=1&td=1&tdf=2&psd=W251bGwsbnVsbCxudWxsLDNd&nt=1&ifi=2&uci=a!2&btvi=1&fsb=1&dtd=1993

AEM-lərin səmərəliliyi ionların onlarda necə yaxşı hərəkət etməsindən asılıdır və elm adamları suyun ion axınına kömək etdiyini bilirdilər. Bununla belə, elektrokimyəvi cihazlarda sərbəst axan suyun yüksək səviyyədə saxlanması onların aşağı rütubətli şəraitdə istifadəsini məhdudlaşdırır və AEM-lərin strukturunu şişirdə, uzanır və zəiflədə bilər.

Yeni araşdırmada tədqiqatçılar suyun rolunu daha yaxşı başa düşmək üçün AEM səmərəliliyinə dair eksperimental məlumatları sistemlərdəki molekulların necə davrandığına dair kompüter simulyasiyaları ilə birləşdirdilər. Onlar sürətli su dinamikasını çəkmək üçün ən müasir ikiölçülü infraqırmızı spektroskopiyadan (2D IR) istifadə ediblər.

UChicago PME aspirantı və birinci həmkarı Ge Sun, “Bu yanaşmaları birləşdirərək, AEM-lərin ətrafındakı su molekullarına pikosaniyəlik bir zaman cədvəlində nə baş verdiyini dəqiq şəkildə modelləşdirə bilərik” dedi.

Komanda müəyyən etdi ki, AEM-ə udulmuş su molekulları onun strukturunda hidrogen bağları şəbəkəsi yaradır. Bu şəbəkə, həmçinin ionları əhatə edən su qabıqları – artıq sərbəst su əvəzinə – ionların səmərəli şəkildə hərəkət etməsinə kömək edir. Ən aşağı su səviyyəsi ilə, hidrogen şəbəkəsi natamam olduğu üçün ionları AEM boyunca hərəkət etdirmək üçün yüksək miqdarda enerji tələb olunur. Su səviyyəsi artdıqca və hidrogen şəbəkələri daha strukturlaşdıqca ionların hərəkəti üçün tələb olunan enerji əhəmiyyətli dərəcədə azalır.

“Biz müşahidə etdik ki, hətta yüksək səviyyədə su olmasa belə, ion keçiriciliyi və membran vasitəsilə ionların daşınması üçün təkan görürük. Bu, su şəbəkəsinin yaxşı formalaşması və ikinci təbəqədəki su molekullarının öz oriyentasiyasını tez bir zamanda tənzimləyə bilməsi səbəbindən baş verir”, – Sun deyib.

Gələcək texnologiyanın optimallaşdırılması

Keçmişdə AEM-ləri dizayn edərkən mühəndislər lazım olduğundan daha çox su istifadə etməkdə səhv edirdilər. Yeni nəticələr göstərir ki, bu membranlardan istifadə edən elektrokimyəvi cihazlarda suyun səviyyəsini optimallaşdırmağın daha yaxşı yolu var.

” Su molekullarının bu membranların içərisində necə təşkil olunduğunu aşkar etməklə , biz hətta aşağı rütubətli mühitlərdə də səmərəli işləyən yeni nəsil materialları dizayn edə bilərik, təmiz enerji texnologiyalarını daha praktik və davamlı edir” deyə UChicago PME bildirib. Dos. Tədqiqatın həmmüəllifi, professor Srayesh Patel.

Bu işin əsas irəliləyişi, bu sistemlərdə su dinamikasının incə detallarını aydınlaşdırmaq üçün mürəkkəb molekulyar modellərlə birlikdə 2D İR-yə etibar etmək idi. Bu işdə istifadə edilən eksperimental məlumatların və simulyasiyaların yeni birləşməsi molekulyar hərəkətlərin anlaşılmasını əhatə edən bir çox digər elmi problemlərə tətbiq oluna bilən güclü bir çərçivə təmin edir.

Daha çox məlumat: Zhongyang Wang et al, Anion mübadiləsi membranında su vasitəçiliyi ilə ion nəqli, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-024-55621-z

Jurnal məlumatı: Nature Communications Çikaqo Universiteti tərəfindən təmin edilmişdir