陰離子交換膜概述

AEM陰離子交換膜

穩石氫能陰離子交換膜樣品

能源危機是國家經濟發展的重大挑戰之一。自上個世紀以來，大多數工業和交通運輸部門依賴化石燃料作為主力能源，而這正是溫室氣體排放的主要來源。為替代化石燃料的使用，推動零碳排放戰略的實現，太陽能、風能和地熱能等可再生能源技術的發展頗為必要。

然而，自然資源的分布不均，導致了可再生能源在大規模利用上的局限。因此，亟需開發理想的能量載體技術，這些技術可以輕松儲存能量，并可廣泛應用于交通、工業、太空和住宅等領域的能源生產。由于氫氣技術具有實現零碳排放的潛力，在過去的幾十年中，發達國家廣泛采用了氫氣生產技術。

但以往氫氣主要通過天然氣和其他化石燃料生產，這種氫氣被稱為“灰氫”，其生產過程中會釋放二氧化碳到環境中。其他氫氣的詳細分類界定如圖1所示。簡而言之，基于化石燃料的氫氣生產會產生二氧化碳或其他有害氣體，嚴重破壞環境，同時生產的氫氣純度較低。因此，開發利用可再生資源來生產氫氣（即綠氫）的技術勢在必行。

陰離子交換膜概述

圖1：氫氣的不同等級

為實現綠色經濟和零碳排放，基于水電解的技術被認為是一種極具潛力的解決方案。通過在裝有選擇性陽極和陰極的電解設備中施加直流電，可以通過水電解生成氫氣。這些電解設備被稱為電解槽。根據所使用的膜材料，電解槽主要分為三類：質子交換膜電解槽（PEM）、陰離子交換膜電解槽（AEM）以及固體氧化物膜電解槽（SOEC）。

與PEM和SOEC不同，AEM采用成本較低的不銹鋼板作為雙極板，并使用過渡金屬基催化劑，使其成為一種具有成本效益的技術。然而，在提升AEM性能的過程中，仍然面臨一些挑戰，主要包括膜和催化劑在高堿性環境下的穩定性問題。

陰離子交換膜（AEM）在陰離子傳輸、隔離陰極與陽極、阻止氫氧串氣以提高生成氣體純度等方面發揮著關鍵作用。開發具備高離子電導率、優良機械性能、熱穩定性和化學穩定性的陰離子交換膜，將有助于顯著提高AEMWEs的整體性能和壽命，使其在實現可持續能源解決方案中發揮更重要的作用。

陰離子交換膜概述

圖2 不同類型的陰離子交換膜（AEMs）

多項研究已致力于陰離子交換膜 (AEM) 或陽離子聚合物膜 (CPM) 的制造 1, 2，這些膜選擇性地允許負電荷的氫氧根離子通過。基于這些研究，AEM 可分為兩類（圖2）：(i) 含芳基醚的AEM，(ii) 無芳基醚的AEM。

醚基AEMs中，通常存在全氟基團、磺酰基和羰基等電子吸引基團，這些基團會使醚鍵的穩定性降低，在堿性條件下成為親核攻擊的主要位置，從而導致醚鍵的快速降解，降低AEM的耐久性。

無芳基醚的AEM包括聚烯烴類（如聚苯撐、聚乙烯和聚苯乙烯）、聚（芳基哌啶）(PAPs)、聚（苯并咪唑）(PBIs)、聚（苯撐烷基）(PPA)以及Troger's base (TB)聚合物為基礎的AEM。這些聚合物的結構多樣性決定了膜的最終性能，如離子交換容量（IEC）、離子電導率（IC）、吸水能力（WUC）和化學熱穩定性。

此外，合成路線和試劑的可得性在膜材料的制備中也起著重要作用。例如，在合成聚烯烴（POs）、聚苯撐（PPs）及其與含氟單體的共聚物時，通常需要多個中間步驟或后續修正步驟，再加上商業試劑的稀缺，使得其成本較高并限制了大規模生產。

由于這些聚合物中存在眾多稠環芳烴，導致形成的膜較為剛性，且分子量較低。因此這類聚合物的吸水能力、離子交換容量、離子電導率也較低，性能有限。在化學穩定性方面，聚苯撐（PPs）中含有作為側鏈的季銨氮原子，且該氮原子旁僅有一個碳原子，這使其在堿性環境下比其他聚合物更為穩定。然而，那些含有較長碳鏈（多達2至6個碳原子）的聚合物，化學穩定性較差，不如含有單個碳原子的季銨氮穩定。

另一方面，PBI聚合物雖然具有優異的機械性能、化學穩定性和熱穩定性，但由于較低的吸水能力（WUC）和離子電導率（IC），在堿性介質中的表現不佳。此外，PBI合成中所使用的試劑價格相對較高，這也降低了其相對于其他聚合物的選擇優勢。

當前，基于聚（芳基哌啶）(PAPs)的AEMs因其單體的廣泛可得性、結構多樣性以及通過改變單體實現的可變物理性能，成為近年來備受關注的一類聚合物。該產品已實現大批量生產及商業應用，這類AEM膜經過加速老化實驗，已測得超過數萬小時的化學壽命并且還在增長。

相比之下，TB聚合物是一類多功能的聚合物，其特點是在兩個芳香環之間通過氮原子形成融合結構。由于兩個氮原子的結合，形成了空隙或通道，允許氫氧離子在其中自由移動，從而提高了離子交換容量（IEC）、離子電導率（IC）和吸水能力（WUC）。這類聚合物通過修飾機械性能顯著優于長鏈聚合物。由于TB聚合物結構中缺乏β-氫原子，能夠有效阻止親核攻擊，因此其堿性穩定性大幅提高。

在目前的研究工作中，我們已成功設計了具有梯形結構取向的TB聚合物，該聚合物具有豐富的離子通道，吸水能力達到30-40%，離子交換容量為1.5至2.0 meq/g，離子電導率為160-170 mS/cm，并且在堿性環境下的穩定性已經超過1200小時。

Wenstone

作者簡介

Mehdihasan Shekh??

穩石氫能AEM膜研發部主任/深圳大學博士后(高分子科學與工程)

主要研究領域:能源存儲和轉換、電催化，燃料電池；

深耕析氫反應(HER)和氧還廳反應(OER)研究，應用于電解水制氫與和燃料電池等能源轉換領域；擁有近十年電催化（生物傳感器）、藥物釋放、應變傳感器、電容器和光催化等領域研究工作經驗；先后在Elsevier Publication、Springer Publication等平臺發表論文，內容涵蓋功能材料在電催化、儲能、光催化、燃料電池等領域的應用。

參考文獻

1. Henkensmeier, D.; ?Najibah, M.; ?Harms, C.; ??itka, J.; ?Hnát, J.; Bouzek, K., Overview: State-of-the Art Commercial Membranes for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis. Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage 2021,?18?(2).

2. Park, E. J.; ?Jannasch, P.; ?Miyatake, K.; ?Bae, C.; ?Noonan, K.; ?Fujimoto, C.; ?Holdcroft, S.; ?Varcoe, J. R.; ?Henkensmeier, D.; ?Guiver, M. D.; Kim, Y. S., Aryl ether-free polymer electrolytes for electrochemical and energy devices. Chem Soc Rev 2024,?53?(11), 5704-5780.

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