侧链型聚(靛红-联苯)阴离子交换膜水电解性能

对阴离子交换膜(AEM)进行分子结构设计,制备出满足AEM水电解技术需求的高碱稳定性、高电导率的AEM。通过超强酸催化反应制备出具有高碱稳定性的聚(靛红-联苯)(PBPIN)主链;门秀金反应制备出含有高碱稳定性阳离子(哌啶阳离子)以及烷基间隔基的侧链(6C-Pip);门秀金反应将6C-Pip侧链接枝到PBPIN中制备出PBPIN-6CPip膜。为了验证PBPIN-6C-Pip膜的高碱稳定性以及高电导率,对其在高温KOH溶液中进行了碱稳定性测试,PBPIN-6C-Pip膜在80℃、1 M KOH溶液中浸泡900 h后离子交换容量保留率高达97.02%;对其进行了电导率测试以及透射电子显微镜表征,PBPIN-6C-Pip膜在80℃的纯水中电导率可达88.2 mS/cm,同时具有良好的微相分离结构。对AEM电解槽运行参数(KOH溶液浓度、温度、循环方式)进行了系统地研究后,在最优运行参数下(80℃、2 M KOH,2.0 V),对PBPIN-6C-Pip膜进行了水电解性能测试,电流密度可达1.20 A/cm^(2),在此电流密度下运行700 h后电解槽的电流衰减率仅为0.16 mA/(cm^(2)·h)。通过制备出含有高碱稳定性阳离子与无氧主链的侧链型AEM,验证了无氧主链与侧链结构在AEM碱稳定性与电导率提升方面的潜力,为后续研究提供了实验基础。

阴离子交换膜电解水制氢技术的研究进展

氢能是我国2060年“碳中和”的关键支撑,氢气制备又是氢能产业链“制、储、输、用”四大环节中的首要环节,绿色高效地制取氢气是氢能发展的基础。阴离子交换膜电解水(AEMWE)作为新兴的“绿氢”技术,充分结合了碱性水电解技术与质子交换膜电解技术的优势,有望成为最具发展潜力的可再生能源制氢技术。对AEMWE的原理与研究现状做了简要分析,详细论述阴离子交换膜(AEM)水电解槽关键部件的研究进展与发展方向,包括阴离子交换膜、阳极、阴极催化剂、双功能催化剂、离聚物、膜电极、多孔传输层、双极板及电解液。最后结合研究现状,展望了AEMWE制氢技术的研究方向。

阴离子交换膜碱稳定性提升研究进展

阴离子交换膜(AEM)电解水制氢技术综合了传统碱性电解水技术低成本以及质子交换膜(PEM)电解水技术高电流密度、高灵活性的优势,可以与可再生能源相结合,不仅能够有效降低制氢成本,还可以解决可再生能源不稳定以及长距离输送的难题,是实现碳中和路径中的重要策略。而阴离子交换膜作为AEM电解水技术中的核心部件,因受限于碱稳定性较差,使其难以在设备中长期稳定运行。多年来,许多高校、研究院所对AEM在碱稳定性提升上面取得了许多进展,该文对聚合物主链及阳离子基团在碱稳定性提升方面的研究进行汇总,同时结合现有商用AEM的化学结构对后续AEM的研究方向进行展望,为阴离子交换膜电解水制氢技术实现大规模商业化应用提供理论借鉴。

阴离子交换膜在电解水制氢领域的研究进展

综述了阴离子交换膜的离子电导率与碱稳定性,对阴离子交换膜的离子传输机制以及降解机制进行了分析,总结了对于离子电导率与碱稳定性的改进策略。对用于电解水制氢技术的阴离子交换膜后续研究提出了展望,为阴离子交换膜电解水制氢技术实现大规模商业化应用提供理论指导。

哌啶功能化聚苯乙烯/PTFE复合阴离子交换膜研究

阴离子交换膜是阴离子交换膜燃料电池的关键材料,对燃料电池性能起着至关重要的作用。在不同孔径的聚四氟乙烯(PTFE)多孔膜内,通过原位热聚合的方法将氯甲基苯乙烯、甲基丙烯酸六氟丁酯和二乙烯基苯共聚制备成膜,采用N-甲基哌啶(DMP)对膜进行功能化得到哌啶功能化聚苯乙烯/PTFE复合阴离子交换膜(QAPTFE/PVH)。采用三种孔径(1、0.45和0.22μm)PTFE多孔基膜,分别制备了三种复合阴离子交换膜QAPTFE/PVH-1、QAPTFE/PVH-0.45和QAPTFE/PVH-0.22。测试了不同膜的吸水率、溶胀率、离子交换容量和离子电导率等性能,发现QAPTFE/PVH-1具有较高的吸水率和溶胀率,分别为88.06%和50.42%,80℃下电导率达34.44 mS/cm。在65℃、H_(2)/O_(2)气体流速均为0.5 L/min和操作压力为0.1 MPa条件下,QAPTFE/PVH-1膜的单电池峰值功率密度达278.4 mW/cm^(2)。此外,QAPTFE/PVH复合膜的开路电压均高于1.0 V,表明复合膜具有较好的燃料阻隔能力。在80℃的3 mol/L KOH中测试了三种QAPTFE/PVH膜的耐久性,14 d后离子交换容量(IEC)的保留率分别为93.98%、91.88%和92.55%,表明QAPTFE/PVH膜具有较好的耐久性。

聚乙二醇改性冠醚功能化聚砜阴离子交换膜的制备及表征

为了实现聚砜基阴离子交换膜(AEMs)高离子导电性和良好的耐碱性,采用绿色环保的方法制备了氯甲基化聚砜,并以氨基冠醚为交联剂,以氨基冠醚络合的金属离子和三乙胺为阳离子基团,制备了三乙胺和氨基冠醚质量分数不同的冠醚功能化聚砜膜(PSF-CE_(X)-QA_(1-X))。通过将低分子质量的聚乙二醇(PEG)引入(PSF-CE_(X)-QA_(1-X))中,探究了PEG对膜性能的影响。结果表明,亲水PEG的存在有助于膜中离子通道的形成;与PSF-CE_(X)-QA_(1-X)相比,PSF-CE_(X)-QA_(1-X)-PEG的电导率和耐碱稳定性均得到了提高;在温度为80℃时,PSF-CE_(0.1)-QA_(0.9)-PEG的电导率为56.78 mS/cm,耐碱性测试后其电导率可维持初始电导率的85%。此外,PSF-CE_(X)-QA_(1-X)-PEG还具有良好的尺寸稳定性和热稳定性。

高性能Ir基阳极双催化层阴离子交换膜电解水

设计高性能低Ir阳极催化层对阴离子交换膜电解水(AEMWE)商业化发展至关重要。本研究采用催化剂涂覆基底(CCS)方法,构建基于氧化铱(IrO_(2))和碳载铱(IrC)双催化层的阳极结构,提出了一种新型双Ir催化层并提高了AEMWE性能。研究表明,在IrC-IrO_(2)(先喷涂碳载铱,后喷涂氧化铱)催化层中,IrC高度分散特性有利于提高催化层中Ir的利用率,优化了催化层内电子、氢氧根离子的传输。采用商业Pt/C催化剂作为阴极,IrC-IrO_(2)阳极双催化层组装成碱性膜电极,在1 mol/L KOH电解质条件下,2.0 V时IrC-IrO_(2)电极达到了2.31 A/cm^(2)的高电流密度,而且在低浓度电解质以及纯水中依旧保持较高的性能。本研究为碱性膜电解水技术高效催化层的设计提供了参考。

基于阴离子交换膜电解水的离聚物研究进展

在能源日益匮乏的今天,氢能作为一种可再生、绿色环保的新型能源成为全球节能降碳的重要载体。传统的碱水电解(Alkaline water electrolysis,AWE)制氢要求较高pH的碱液作为电解液,而且只能在低电流密度下工作;质子交换膜电解水(Proton exchange membrane water electrolysis,PEMWE)制氢技术具有电流密度大、效率高的特点,被人们视为最有前景的电解水制氢技术,但是其昂贵的催化剂以及所需的高耐酸性部件成为制约PEMWE发展的重要因素。阴离子交换膜电解水(Anion exchange membrane water electrolysis,AEMWE)作为一种新兴的技术,可以实现低成本“绿氢”制备。相较于AWE,AEMWE避免了高浓度碱液的循环;相较于PEMWE,AEMWE则具有成本低、腐蚀性低等优势。离聚物作为关键部件膜电极(Membrane electrode assembly,MEA)中三相界面(Triple phase boundary,TPB)的重要组成部分,对AEMWE内部催化作用和水管理能力起着重要作用。本文首先围绕AEMWE技术原理和离聚物在AEMWE中的作用进行了概述,随后对常见的不同种类的阴离子离聚物结构及特点进行了总结,最后从结构、含量以及添加剂调控三种调控策略入手,针对如何调控离聚物以达到更加优异的电解性能进行了具体的分析总结。

超支化芘基聚芳基哌啶阴离子交换膜及其碱性电解水应用

以芘(py)为支化基团,基于对三联苯(TP)和N-甲基-4-哌啶酮(NM4P)单体,经强酸催化聚合得到超支化芘基聚三联苯哌啶聚合物(h-PTPE-py-n)。通过调整支化基团和三联苯的比例,可以得到不同支化度的超支化聚三联苯哌啶阴离子交换膜h-PTP-py-n。对该聚合物的化学结构、热性能、力学性能、离子传导性质进行了系统表征和测试,并将该类型膜应用于阴离子交换膜电解水(AEMWE)器件,评估其在实际工况下的运行基本表现。结果表明,芘引入导致的支化有效提高了阴离子交换膜的力学性能和尺寸稳定性,所制得的阴离子交换膜在80℃下的氢氧根离子传导率最高达到168.0 mS/cm,应用到AEMWE中时,h-PTP-py-n展示出了优异的导电性,在3 V条件下电流密度达到1.95 A/cm^(2),并且能稳定运行超过90 h。

多阳离子光交联型聚芳基哌啶阴离子交换膜的制备及性能研究

通过超酸催化制备了联苯哌啶聚合物主链(PB),并合成了交联剂N^(1),N^(6)-双己烯-N^(1),N^(1),N^(6),N^(6)-四甲基己烷-1,6溴化二铵(HETD),采用高效环保的紫外光固化技术制备了一系列不同HETD含量的交联型聚芳基哌啶阴离子交换膜QPBP-HETD-X%(X=20,40,60和80,其中X为HETD摩尔百分含量)。结果显示,多阳离子交联结构的引入有效提升了膜的机械强度和电化学性能。其中QPBPHETD-60具有较好的综合性能,离子传导率为59.08 mS/cm(80℃),溶胀率仅有4.15%(室温),其拉伸强度高达42.93 MPa,经过60℃下1 mol/L NaOH处理360 h后,离子传导率保存率为84.42%。

电解水制氢用阴离子交换膜研究进展

阴离子交换膜电解水制氢融合了碱性电解水和质子交换膜电解水制氢技术的优点,具有电解效率高、响应速度快、成本低等特点,被认为是目前最有前景的可再生绿色能源制氢技术之一。阴离子交换膜(AEM)是提供OH-离子传导和阻隔气体交叉的关键部件,其直接影响了阴离子交换膜电解水系统的性能和使用寿命。然而,目前的AEM隔膜面临着离子电导率低和稳定性差的问题。本文首先介绍了AEM在电解槽中的作用,高性能AEM应满足的性能要求和评价参数,并重点讨论了OH-在AEM中的传输机制与影响因素。接着,本文进一步概述了AEM的结构组成,以及常见的阳离子基团和聚合物主链类型;阐述了不同阳离子基团的降解机理和聚合物主链的特点,重点阐释了阳离子官能团稳定性设计的策略,聚合物主链改性制备的方法,以及AEM性能表现。最后,展望了AEM隔膜未来面临的挑战和潜在研究方向,指出应在设计耐碱稳定性AEM的基础上,通过交联、嵌段共聚、侧链接枝和复合膜技术等策略构建和制备满足实际应用需求的高性能AEM隔膜,为AEM进一步发展提供借鉴和参考。

交联型聚(联苯-哌啶)阴离子交换膜制备与电解槽性能研究

为制备出同时具备高电导率和高稳定性的阴离子交换膜(AEM),以1,6-二溴己烷为交联剂,采用浇铸法制备了不同交联度的交联型聚(联苯-哌啶)AEM(PBP-Pip-x%膜,x代表交联度,取值分别为5、10和15)。分别采用^(1)H NMR和AFM对PBP-Pip-x%膜的结构和形貌等进行了表征,并以未交联的聚(联苯-哌啶)AEM(PBP-Pip膜)作为对照组,研究了PBP-Pip-x%膜的性能。结果表明,PBP-Pip-15%膜具有更好的微相分离结构,其电导率(99.14 mS/cm)较PBP-Pip膜的电导率(49.89 mS/cm)明显提高。PBP-Pip-15%膜表现出较好的碱稳定性,在1 mol/L KOH溶液中于80℃浸泡300 h后,其电导率为37.50 mS/cm,电导率保留率为79.73%。在设定条件(温度为80℃、1 mol/L KOH溶液中和小室电压为2.0 V)下,PBP-Pip-15%膜的电流密度为0.5 A/cm^(2),并且在100 h内稳定性未发生明显改变。

一种含烷氧基柔性长支链苯并咪唑功能化聚苯醚阴离子交换膜研究

本文合成一种含烷氧基柔性长支链苯并咪唑功能化聚苯醚阴离子交换膜,并进行了相应的表征。制得的阴离子交换膜显示出较高的OH-传导能力及优越的化学稳定性。PPO-OH-M4在20℃时电导率为35.4 (m·S)/cm,当温度升高至60℃时,电导率增加到55.7 (m·S)/cm,体现了优越的离子传导率。亲水柔性长支链与疏水主链相互作用,形成了明显的微相分离,构建了连续的离子传输通道。将PPO-OH-M4浸泡于80℃1 mol/L KOH溶液340 h后,电导率仍保持87.5%。长的烷氧基支链聚集,相互盘绕,有效减弱OH-对功能基团的进攻,可为合成高性能阴离子交换膜提供了新的思路。

不同构型的支化型聚芳烃阴离子交换膜的制备

通过超酸催化制备了一系列不同构型的支化型聚芳烃阴离子交换膜(AEMs),考察支化单体结构对AEMs性能的影响.结果表明,在相似的离子交换容量(IEC)下,支化结构的AEMs比直链型AEM的离子电导率和耐碱性更优异,柔性支化聚联苯三苯基甲烷螺环阳离子(PBTMPASU)膜的离子电导率优于刚性支化的聚联苯三苯基苯螺环阳离子(PBTBPASU)和聚联苯三蝶烯螺环阳离子(PBTPASU)膜.在80℃下,柔性支化PBTMPASU膜的OH-电导率达128.2 mS/cm,在2 mol/L NaOH溶液中进行1 080 h的耐碱性测试后,OH-电导率保留了94.1%.此外,基于PBTMPASU膜制备的单电池在1 167.0 mA/cm^(2)的电流密度下峰值功率密度高达559.9 mW/cm^(2).

水电解制氢用商业化阴离子交换膜发展现状

在全球碳中和的战略背景下,全球主要经济体陆续提出氢能发展规划与目标,将氢能的发展上升至战略高度。通过可再生能源电解水制取绿色、低碳氢气获得了前所未有的全球共识。新一代阴离子交换膜水电解(AEMWE)制氢技术是基于阴离子交换膜(AEM)开发的新一代制氢技术,兼具低成本的材料体系和灵活的动态响应特性,有望在未来实现大规模应用。AEMWE制氢技术近年来受到了国内外广泛的关注,并临近商业化应用。本文围绕AEMWE制氢技术的关键材料——阴离子交换膜开展论述,介绍了代表性商业化膜材料的结构特点和理化特性,讨论了以AEM为核心的膜电极组件(MEA)制备工艺研究进展。本文重点分析讨论了多种商业化AEM在水电解制氢过程中的性能表现,分析了水电解制氢过程中膜电极性能的影响因素,并结合长时间运行稳定性评估了多种商业化AEM的应用潜力。最后从产业化推广的角度,文章总结了关键AEM材料在电解水制氢领域应用所面临的技术难题,提出了可能的发展方向,期望为AEMWE制氢技术的发展提供借鉴和参考。

阴离子交换膜离子传导率与耐碱稳定性研究进展

碱性膜电解水制氢和燃料电池技术是氢能产业链上的重要产氢和用氢技术。作为碱性膜电解槽及燃料电池的核心部件,阴离子交换膜承担着传递氢氧根离子、阻隔气体渗透、分隔正负两极的重要作用,决定着电化学过程效率和性能.现有阴离子交换膜的氢氧根传导率偏低和耐碱稳定性不高的问题严重制约着产氢和氢能转化效率.本文综述了近年来面向碱性膜电解水制氢和燃料电池应用的阴离子交换膜的发展动态,特别是在强化离子传导率、提高耐碱稳定性方面的方法和进展,以及膜材料化学组成和结构对膜性能的影响.

单价选择性阴离子交换膜的改性研究进展

详细介绍了表面改性法和膜基体改性法的原理、特点及其改性效果,总结了近3年来单价选择性阴离子交换改性的研究进展并对不同改性方法进行了评价。结果表明,膜改性是一种提高单价选择性阴离子交换膜的渗透选择性、离子通量和抗污染性能的有效方法。最后分析了限制单价选择性阴离子交换膜量产的因素,并展望了单价选择性阴离子交换膜可能的量产方向。

基于丙烯酸钠-乙烯基胺的交联均相阴离子交换膜的研究

以碱中和后的丙烯酸(AA)和N-乙烯基甲酰胺(NVF)为原料,合成了一系列交联型碱性聚电解质膜.利用碱性聚电解质中羧酸根解离能够产生OH^(-)的特性,采用溶液流延法制备相应的均相阴离子交换膜.通过FTIR、热重和含水溶胀度等测试对离子交换膜进行表征,研究了原料组成和交联程度对膜的离子电导率和甲醇渗透系数的影响.结果表明,室温下,当单体AA/NVF的质量比为1∶1,交联剂戊二醛(GA)质量分数为0.1%时,离子交换膜的导电率可达到3.2 mS/cm,甲醇透过系数为9.6×10^(-8)cm^(2)/s,显示出其具有应用于直接甲醇燃料电池(DMFCs)的潜力.

链段疏水性对聚咔唑基三联苯基哌啶阴离子交换膜的影响

通过引入不同疏水性的柔性链段(含氟链段、烷基链段和含羟基链段)可以提升阴离子交换膜(AEM)的性能。本研究采用超酸催化反应制备了3种AEM,分别为含氟戊烷与1-己基-1-甲基哌啶鎓的聚咔唑基三联苯基哌啶(PCTPPF)、含正己烷与1-己基-1-甲基哌啶鎓的聚咔唑基三联苯基哌啶(PCTPPC)和含戊醇与1-己基-1-甲基哌啶鎓的聚咔唑基三联苯基哌啶(PCTPPO).通过测试接触角、溶胀率、电化学电阻和单电池性能来表征AEM的亲疏水性、离子电导率、碱性稳定性和单电池功率密度等性能.结果表明,强疏水性的PCTPPF具有低溶胀(14.9%,80℃)的特性,而且其离子电导率(160.4 mS/cm,80℃)和单电池功率密度(646 mW/cm^(2),80℃)均具有优势.而亲水链段的PCTPPO能够在较为恶劣的碱性环境中维持高离子电导保留率(86.3%,2 mol/L NaOH).相较于PCTPPF和PCTPPO,PCTPPC的各项性能较为均衡.

螺环柔性侧链PBI基阴离子交换膜的性能

提出具有高碱稳定性的螺环柔性侧链PBI基阴离子交换膜结构(ASD-PBI-x)概念.以二溴丁烷和1,3-二(4-哌啶基)丙烷为原料制备了螺环阳离子基团,以聚苯并咪唑(PBI)为基材,接枝螺环阳离子柔性侧链,主链和侧链结构均具有强碱稳定性,双醚柔性间隔基团提高了刚性螺环结构的成膜性,并促进了膜内良好的微相分离形貌形成.结果表明,该系列膜具有良好的性能,其中接枝度为90%的ASD-PBI-90膜在80℃时的电导率为83.2 mS/cm,在1 mol/L KOH、80℃浸泡1080 h后,膜的OH-电导率保持率达到94.2%.将该膜用于氢氧燃料电池,在60℃时单电池的峰值功率密度为367 mW/cm^(2).ASD-PBI膜具有优异的碱稳定性、良好的电导率和电池性能,有望应用于氢氧燃料电池领域.