產(chǎn)品詳情
陰離子交換膜（AEM）近年來備受關(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的潛在材料是實現(xiàn)其商業(yè)化的重要步驟，并在制氫行業(yè)中具有競爭優(yōu)勢。 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（包括獨立組件、材料、工藝和運行條件等）。大多數(shù)已開發(fā)的膜材料針對化學(xué)環(huán)境溫和（pH與操作溫度較低）的場景進行了優(yōu)化。然而，關(guān)于專為水電解設(shè)計的氫氧根交換膜（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)動氫氧根離子（OH?）從陰極遷移至陽極，同時阻斷電子傳導(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） ◎ 濕潤環(huán)境與高壓差下優(yōu)異的機械性能 ◎ 低氣體滲透率 此類膜通常由聚合物主鏈（提供機械與熱穩(wěn)定性）和帶正電的官能團（通過主鏈修飾或側(cè)鏈接枝引入）組成。這些官能團促進陰離子遷移，主導(dǎo)膜的離子交換容量、離子電導(dǎo)率及遷移數(shù)，從而實現(xiàn)零極距結(jié)構(gòu)設(shè)計與壓差運行模式。 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，膜的主鏈和官能團均會因氫氧根（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（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?的遷移率遠低于H?。 目前，已有少數(shù)堿性固體聚合物膜實現(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)有文獻中關(guān)于這些膜實際應(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、運行條件乃至電池性能測試時長均不一致，導(dǎo)致系統(tǒng)性對比研究難以開展。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。 激活具有理想機械特性的多孔支撐物是合成陰離子膜的一種非常簡單的方法。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其進行活化，是開發(fā) AEM 的一個非常有趣的方法?？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)定性和機械穩(wěn)定性以及對極端 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，近來對聚丙烯生產(chǎn)和回收的可持續(xù)評估進行了大量研究。過去，有研究在傳統(tǒng)的液體堿性電解槽中使用 Celgard 2400 膜，在等離子活化后對丙烯酸進行接枝聚合改性。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（包括獨立組件、材料、工藝和運行條件等）。大多數(shù)已開發(fā)的膜材料針對化學(xué)環(huán)境溫和（pH與操作溫度較低）的場景進行了優(yōu)化。然而，關(guān)于專為水電解設(shè)計的氫氧根交換膜（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)動氫氧根離子（OH?）從陰極遷移至陽極，同時阻斷電子傳導(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） ◎ 濕潤環(huán)境與高壓差下優(yōu)異的機械性能 ◎ 低氣體滲透率 此類膜通常由聚合物主鏈（提供機械與熱穩(wěn)定性）和帶正電的官能團（通過主鏈修飾或側(cè)鏈接枝引入）組成。這些官能團促進陰離子遷移，主導(dǎo)膜的離子交換容量、離子電導(dǎo)率及遷移數(shù)，從而實現(xiàn)零極距結(jié)構(gòu)設(shè)計與壓差運行模式。 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，膜的主鏈和官能團均會因氫氧根（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（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?的遷移率遠低于H?。 目前，已有少數(shù)堿性固體聚合物膜實現(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)有文獻中關(guān)于這些膜實際應(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、運行條件乃至電池性能測試時長均不一致，導(dǎo)致系統(tǒng)性對比研究難以開展。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。 激活具有理想機械特性的多孔支撐物是合成陰離子膜的一種非常簡單的方法。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其進行活化，是開發(fā) AEM 的一個非常有趣的方法?？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)定性和機械穩(wěn)定性以及對極端 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，近來對聚丙烯生產(chǎn)和回收的可持續(xù)評估進行了大量研究。過去，有研究在傳統(tǒng)的液體堿性電解槽中使用 Celgard 2400 膜，在等離子活化后對丙烯酸進行接枝聚合改性。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 來改性支撐膜，以用作鋅空氣電池中的隔膜。
