搜索:  
東北大學楊景帥副教授課題組在陰離子交換膜應用于水電解方面取得新進展
2019-07-19  來源:高分子科技

  水電解制氫是一種古老的工業制造氫氣的方法,工藝過程簡單,能完全自動化,氫氣純度也高,且對環境不會產生污染。堿性水電解技術相對于其他的電解水制氫新技術發展較為成熟,且由于工業化成本較低已經商業化幾十年了,但由于其傳統系統的高內阻和慢響應時間導致其電解效率較低。目前,堿性水電解的發展趨勢是在有限增加制造成本的同時,大幅降低單位能耗,降低電解槽的電解電壓,提高電解槽電解效率。主要可以通過發展新的電極材料,新的隔膜材料以及新的電解槽結構-零間距結構來實現。其中堿性聚合物電解質膜由于可以使用非貴金屬催化劑作為新的隔膜材料應運而生,即以氫氧化物形式的陽離子單體功能化的陰離子交換膜(AEMs)為基礎。AEMs作為水電解隔膜材料遇到最大的挑戰之一是在堿性條件下聚合物和陽離子基團會發生降解。

  針對以上問題,楊景帥課題組以N-甲基吡咯烷(MPy)、聚(乙烯基芐基氯)(PVBC)和聚醚酮-cardo(PEK-cardo)作為原材料,采用一種簡單、溫和、無致癌試劑的化學方法合成了一系列高耐堿性和離子電導率的新型AEMs。其中MPy功能化PVBC(PVBC-MPy)溶脹嚴重不能單獨使用,選用PEK-cardo作為增強材料以提供足夠的機械穩定性,用于AEMs水電解的集成和測試。

圖1. PVBC-MPy/x%PEK-cardo離子交換膜的制備

  該課題組進一步對所制備的新型AEMs的一系列性能研究。陽離子基團MPy為五元氮雜環,由于其非極化結構和高抗氫氧化物攻擊能力,具有超高耐堿性;而主鏈PVBC是一種長烷烴鏈聚合物,不含醚鍵等強吸電子基團,也具有優異的化學穩定性。以質量分數為35%的PVBC-MPy/35%PEK-cardo膜為例,其IEC值約為2.65mmol g-1;體積溶脹率為38%;離子電導率在80℃時為28.4mS cm-1;濕態下室溫拉伸強度為15.1MPa;在1mol L-1KOH溶液80℃條件下浸泡500 h后電導率保留率為85%;耐堿336h后拉伸強度僅輕微下降。這一系列性能證明所制備的AEMs具有較高的導電性、機械強度和良好的耐堿穩定性。

圖2. (A)PVBC-MPy/x%PEK-cardo膜在純水中的電導率;(B)濕態下的機械性能;(C)在1mol L-1 KOH溶液80條件下浸泡后的耐堿穩定性; (D)60 ,1mol L-1 KOH溶液耐堿后的機械性能

  由于PVBC-MPy/35%PEK-cardo膜在高離子導電性和機械穩定性之間表現出良好的平衡性,該團隊將其選用于水電解測試中。在堿性水電解實驗中,電池極化曲線表明,在60℃條件下,電流密度為500 mA cm-1時電池電壓達到2V。同時,通過EIS和電池壽命試驗確定了膜在弱堿性條件下運行的可行性。這表明所制備的復合膜是一種很有前途的AEMs水電解隔膜材料。

圖3. (A)極化曲線;(B) 記錄在20、40、80、150mAcm-2下的奈奎斯特圖,其中灰色為初始測量曲線,紅色虛線為試驗結束后測量曲線;(C)在1mol L-1 KOH溶液中60 ℃條件下進行水電解測試

  以上相關成果發表在Journal of Materials Chemistry A(J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039)上。該論文的第一作者為東北大學理學院碩士生李歡歡,通訊作者為東北大學楊景帥副教授,共同通訊作者為丹麥技術大學David Aili研究員。

  論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta04868e#!divAbstract

版權與免責聲明:中國聚合物網原創文章?锘蛎襟w如需轉載,請聯系郵箱:info@polymer.cn,并請注明出處。
(責任編輯:xu)
】【打印】【關閉

誠邀關注高分子科技

更多>>最新資訊
更多>>科教新聞
江西十一选五走势图