產(chǎn)品詳情
陰離子交換膜（AEM）近年來(lái)備受關(guān)注，因其作為低成本水電解系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，可與可再生能源相結(jié)合，成為化石燃料的可持續(xù)替代方案，用于制氫領(lǐng)域。開發(fā)可用于生產(chǎn)并表征AEM的潛在材料是實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化的重要步驟，并在制氫行業(yè)中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 已發(fā)展成熟的堿性水電解技術(shù)（AWE ）與AEMWE的主要區(qū)別在于：AWE中用于分隔兩個(gè)半電池的隔膜雖允許離子跨體系傳輸，但其自身不導(dǎo)電，導(dǎo)電性依賴于填充多孔隔膜的堿性氫氧化物溶液；而AEMWE的聚合物膜為非多孔結(jié)構(gòu)，并具有本征陰離子導(dǎo)電性。需指出的是，與僅使用聚合物電解質(zhì)的質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽不同，許多AEMWE系統(tǒng)額外引入液態(tài)電解質(zhì)（如KOH或K?CO?溶液）以提升反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。液態(tài)電解質(zhì)可提高催化劑-電解質(zhì)界面的局部pH值，
形成額外的電化學(xué)界面。由于解決了AWE的主要技術(shù)瓶頸，近年來(lái)AEMWE在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究關(guān)注度顯著提升。 針對(duì)堿性膜的開發(fā)，已有大量研究、論文及綜述發(fā)表，涵蓋不同應(yīng)用場(chǎng)景（如電滲析、電滲析逆轉(zhuǎn)、脫鹽、電去離子等）及多維度研究視角（包括獨(dú)立組件、材料、工藝和運(yùn)行條件等）。大多數(shù)已開發(fā)的膜材料針對(duì)化學(xué)環(huán)境溫和（pH與操作溫度較低）的場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化。然而，關(guān)于專為水電解設(shè)計(jì)的氫氧根交換膜（即陰離子交換膜，AEM）的合成研究仍較為匱乏。在堿性電解槽中，陰離子膜的核心功能是驅(qū)動(dòng)氫氧根離子（OH?）從陰極遷移至陽(yáng)極，同時(shí)阻斷電子傳導(dǎo)并防止兩側(cè)反應(yīng)室中電化學(xué)反應(yīng)生成的氣體交叉滲透。理想的陰離子膜應(yīng)具備以下特性： ◎ 高OH?電導(dǎo)率 ◎ 高化學(xué)穩(wěn)定性（耐堿性、抗氧化性、熱穩(wěn)定性） ◎ 濕潤(rùn)環(huán)境與高壓差下優(yōu)異的機(jī)械性能 ◎ 低氣體滲透率 此類膜通常由聚合物主鏈（提供機(jī)械與熱穩(wěn)定性）和帶正電的官能團(tuán)（通過(guò)主鏈修飾或側(cè)鏈接枝引入）組成。這些官能團(tuán)促進(jìn)陰離子遷移，主導(dǎo)膜的離子交換容量、離子電導(dǎo)率及遷移數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)零極距結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與壓差運(yùn)行模式。 迄今為止，已有多種陰離子交換膜（AEM）主鏈材料被研究與開發(fā)，包括聚苯乙烯（PS）、聚苯醚（PPO）、聚砜（PSF）、氟化聚合物、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE ）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚乙烯醇（PVA）、聚醚醚酮（PEEK）、聚芳醚酮（PAEK）及聚咔唑（PCz）等。研究最為廣泛的官能團(tuán)包括：–NH??、–RNH??、–R?NH?、=R?N??、–R?P?、–R?S?、季銨鹽（QA）以及叔胺（如BTMA）。其中，環(huán)狀脂肪族季銨鹽（QA）表現(xiàn)出優(yōu)異的耐堿性。 如之前文獻(xiàn)所述，陰離子交換膜面臨的主要挑戰(zhàn)是： 1）其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較低。這是由于在堿性條件下，膜的主鏈和官能團(tuán)均會(huì)因氫氧根（OH?）的侵蝕而發(fā)生降解。聚合物主鏈的降解危害包括：主鏈降解會(huì)導(dǎo)致鏈斷裂，降低分子量，并顯著增加膜的脆性。含有芳香醚基團(tuán)（如PEEK、聚醚砜（PESU）和聚苯醚（PPO）等低成本易得聚合物中常見）的主鏈尤易發(fā)生此類劣化。因此，應(yīng)避免使用含芳香醚基團(tuán)的材料。 2）離子電導(dǎo)率限制。與質(zhì)子交換膜（PEM，如Nafion）相比，陰離子交換膜的離子電導(dǎo)率較低，其原因是OH?的遷移率遠(yuǎn)低于H?。 目前，已有少數(shù)堿性固體聚合物膜實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，例如Fumasep®、Sustainion®、Aemion? 和 Orion?，其核心特性總結(jié)于下表1。如下表1所示，不同主鏈材料的膜表現(xiàn)出不同的離子電導(dǎo)率。 表1：商業(yè)化使用AEM的基本特征 后三種膜（Sustainion®、Aemion?、Orion?）的導(dǎo)電率顯著高于Fumasep®，但需注意的是，F(xiàn)umasep膜以Cl?形式活化，而Cl?的遷移率低于OH?，且該膜厚度明顯更大?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于這些膜實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)非常有限，且許多研究采用的活化工藝、離聚物材料、電解槽組件、運(yùn)行條件乃至電池性能測(cè)試時(shí)長(zhǎng)均不一致，導(dǎo)致系統(tǒng)性對(duì)比研究難以開展。在陰離子交換膜水電解槽（AEMWE）中表現(xiàn)穩(wěn)定的最常用膜為Fumasep。 激活具有理想機(jī)械特性的多孔支撐物是合成陰離子膜的一種非常簡(jiǎn)單的方法。膜的性能受到支撐結(jié)構(gòu)和離子膜的深刻影響，因此研究制造骨架的材料和技術(shù)，并用不同的離子膜對(duì)其進(jìn)行活化，是開發(fā) AEM 的一個(gè)非常有趣的方法?？捎糜诖四康牡闹谓Y(jié)構(gòu)是 Celgard®，這是一種典型的聚丙烯（PP）微孔膜分離器，被公認(rèn)可用于電池。聚丙烯是一種低成本聚合物，由于具有良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性以及對(duì)極端 pH 值條件的高耐受性等重要特性，在全球范圍內(nèi)被廣泛用于微孔膜制造。由于聚丙烯在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，且全球使用量巨大，近來(lái)對(duì)聚丙烯生產(chǎn)和回收的可持續(xù)評(píng)估進(jìn)行了大量研究。過(guò)去，有研究在傳統(tǒng)的液體堿性電解槽中使用 Celgard 2400 膜，在等離子活化后對(duì)丙烯酸進(jìn)行接枝聚合改性。研究人員使用浸漬了商用陰離子交換離子聚合物（Fumion）的 Celgard 3501 來(lái)改性支撐膜，以用作鋅空氣電池中的隔膜。
形成額外的電化學(xué)界面。由于解決了AWE的主要技術(shù)瓶頸，近年來(lái)AEMWE在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究關(guān)注度顯著提升。 針對(duì)堿性膜的開發(fā)，已有大量研究、論文及綜述發(fā)表，涵蓋不同應(yīng)用場(chǎng)景（如電滲析、電滲析逆轉(zhuǎn)、脫鹽、電去離子等）及多維度研究視角（包括獨(dú)立組件、材料、工藝和運(yùn)行條件等）。大多數(shù)已開發(fā)的膜材料針對(duì)化學(xué)環(huán)境溫和（pH與操作溫度較低）的場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化。然而，關(guān)于專為水電解設(shè)計(jì)的氫氧根交換膜（即陰離子交換膜，AEM）的合成研究仍較為匱乏。在堿性電解槽中，陰離子膜的核心功能是驅(qū)動(dòng)氫氧根離子（OH?）從陰極遷移至陽(yáng)極，同時(shí)阻斷電子傳導(dǎo)并防止兩側(cè)反應(yīng)室中電化學(xué)反應(yīng)生成的氣體交叉滲透。理想的陰離子膜應(yīng)具備以下特性： ◎ 高OH?電導(dǎo)率 ◎ 高化學(xué)穩(wěn)定性（耐堿性、抗氧化性、熱穩(wěn)定性） ◎ 濕潤(rùn)環(huán)境與高壓差下優(yōu)異的機(jī)械性能 ◎ 低氣體滲透率 此類膜通常由聚合物主鏈（提供機(jī)械與熱穩(wěn)定性）和帶正電的官能團(tuán)（通過(guò)主鏈修飾或側(cè)鏈接枝引入）組成。這些官能團(tuán)促進(jìn)陰離子遷移，主導(dǎo)膜的離子交換容量、離子電導(dǎo)率及遷移數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)零極距結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與壓差運(yùn)行模式。 迄今為止，已有多種陰離子交換膜（AEM）主鏈材料被研究與開發(fā)，包括聚苯乙烯（PS）、聚苯醚（PPO）、聚砜（PSF）、氟化聚合物、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE ）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚乙烯醇（PVA）、聚醚醚酮（PEEK）、聚芳醚酮（PAEK）及聚咔唑（PCz）等。研究最為廣泛的官能團(tuán)包括：–NH??、–RNH??、–R?NH?、=R?N??、–R?P?、–R?S?、季銨鹽（QA）以及叔胺（如BTMA）。其中，環(huán)狀脂肪族季銨鹽（QA）表現(xiàn)出優(yōu)異的耐堿性。 如之前文獻(xiàn)所述，陰離子交換膜面臨的主要挑戰(zhàn)是： 1）其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較低。這是由于在堿性條件下，膜的主鏈和官能團(tuán)均會(huì)因氫氧根（OH?）的侵蝕而發(fā)生降解。聚合物主鏈的降解危害包括：主鏈降解會(huì)導(dǎo)致鏈斷裂，降低分子量，并顯著增加膜的脆性。含有芳香醚基團(tuán)（如PEEK、聚醚砜（PESU）和聚苯醚（PPO）等低成本易得聚合物中常見）的主鏈尤易發(fā)生此類劣化。因此，應(yīng)避免使用含芳香醚基團(tuán)的材料。 2）離子電導(dǎo)率限制。與質(zhì)子交換膜（PEM，如Nafion）相比，陰離子交換膜的離子電導(dǎo)率較低，其原因是OH?的遷移率遠(yuǎn)低于H?。 目前，已有少數(shù)堿性固體聚合物膜實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，例如Fumasep®、Sustainion®、Aemion? 和 Orion?，其核心特性總結(jié)于下表1。如下表1所示，不同主鏈材料的膜表現(xiàn)出不同的離子電導(dǎo)率。 表1：商業(yè)化使用AEM的基本特征 后三種膜（Sustainion®、Aemion?、Orion?）的導(dǎo)電率顯著高于Fumasep®，但需注意的是，F(xiàn)umasep膜以Cl?形式活化，而Cl?的遷移率低于OH?，且該膜厚度明顯更大?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于這些膜實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)非常有限，且許多研究采用的活化工藝、離聚物材料、電解槽組件、運(yùn)行條件乃至電池性能測(cè)試時(shí)長(zhǎng)均不一致，導(dǎo)致系統(tǒng)性對(duì)比研究難以開展。在陰離子交換膜水電解槽（AEMWE）中表現(xiàn)穩(wěn)定的最常用膜為Fumasep。 激活具有理想機(jī)械特性的多孔支撐物是合成陰離子膜的一種非常簡(jiǎn)單的方法。膜的性能受到支撐結(jié)構(gòu)和離子膜的深刻影響，因此研究制造骨架的材料和技術(shù)，并用不同的離子膜對(duì)其進(jìn)行活化，是開發(fā) AEM 的一個(gè)非常有趣的方法?？捎糜诖四康牡闹谓Y(jié)構(gòu)是 Celgard®，這是一種典型的聚丙烯（PP）微孔膜分離器，被公認(rèn)可用于電池。聚丙烯是一種低成本聚合物，由于具有良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性以及對(duì)極端 pH 值條件的高耐受性等重要特性，在全球范圍內(nèi)被廣泛用于微孔膜制造。由于聚丙烯在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，且全球使用量巨大，近來(lái)對(duì)聚丙烯生產(chǎn)和回收的可持續(xù)評(píng)估進(jìn)行了大量研究。過(guò)去，有研究在傳統(tǒng)的液體堿性電解槽中使用 Celgard 2400 膜，在等離子活化后對(duì)丙烯酸進(jìn)行接枝聚合改性。研究人員使用浸漬了商用陰離子交換離子聚合物（Fumion）的 Celgard 3501 來(lái)改性支撐膜，以用作鋅空氣電池中的隔膜。
