Новая анионообменная мембрана станет ключевым компонентом топливных элементов

Анионообменные мембранные топливные элементы привлекли к себе внимание в процессе разработки топливных элементов, поскольку они работают в щелочной среде, скорость окислительно-восстановительных реакций на электродах выше, можно использовать катализаторы из недрагоценных металлов, таких как Ni, Co и Ag, что снижает стоимость топливных элементов.

Однако подвижность OH- составляет лишь 56,97% от подвижности H+ при тех же условиях, а его стабильность невысока, поэтому улучшение ионной проводимости и механических свойств анионообменных мембран (АОМ) является ключевым моментом для коммерциализации AEMFC. Недавно группа ученых создала анионообменную мембрану на основе поли (п-терфенил-изотина) с синергетической функционализацией катионами четвертичного аммония и пиперидина, которая обеспечивает отличные механические свойства и OH-ионную проводимость для щелочных анионных мембранных топливных элементов.

Работа опубликована в журнале Industrial Chemistry & Materials 14 сентября 2023 года.

АЭМ может действовать на щелочные топливные элементы и в виде транспортируемого OH-, значительно снижая производственные затраты. Это является толчком к общему применению чистой энергии, но самая большая проблема заключается в «компромиссе» между ионной проводимостью и стабильностью анионообменных мембран.

Анионообменная мембрана является важным компонентом топливных элементов, и ее характеристики оказывают глубокое влияние на производительность и развитие топливных элементов. Как добиться прорыва в производительности анионообменной мембраны и как достичь высокой плотности мощности — вот вопросы, которые изучает наша исследовательская группа, — поясняет Чже Ван, профессор Чанчуньского технологического университета.

Большинство традиционных полимеров для анионообменных мембран содержат эфирные связи, последующие реакции с которыми не только токсичны и вредны, но и сильно подвержены атаке и разрушению при переносе OH-. Кроме того, наличие гидрофильных групп в полимерах, содержащих эфирно-связанные структуры, может приводить к чрезмерному растворению АЭМ, что приводит к резкому снижению ее стабильности.

Исследователи использовали полимерную основу без эфирных связей для кардинального решения проблем, связанных с традиционными основами. Четвертичный катион аммония и катион пиперидиния в составе анионообменной мембраны совместно создают более плотный ионно-транспортный канал, что снижает энергию активации, необходимую для переноса OH-, и облегчает прохождение OH- внутри мембраны. Катион пиперидиния также обладает повышенной щелочной стабильностью благодаря своей циклической конформации, а щелочная стабильность ряда анионообменных мембран, о которых идет речь в статье, достигает 800 ч на основе не содержащей эфирных связей основы.

Помимо этих аспектов, исследователи также подтвердили, что механические свойства мембран серии поли (п-терфенил изатина) находятся в отличном состоянии. Прочность на разрыв чистых мембран достигает более 60 МПа, что создает стабильную основу для дальнейшей функционализации последующих анионообменных мембран.

Заглядывая в будущее, специалисты надеются, что их работа даст новые идеи для дальнейшего развития анионообменных мембран.

Следующим нашим шагом станет целенаправленное повышение плотности мощности аккумуляторов для достижения конечной цели — промышленного применения анионообменных мембран, — заключает Ванг.

30.09.2023