Η ενεργειακή κρίση είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις για την εθνική οικονομική ανάπτυξη. Από τον περασμένο αιώνα, οι περισσότερες βιομηχανίες και τομείς μεταφορών βασίζονται στα ορυκτά καύσιμα ως την κύρια πηγή ενέργειας, η οποία είναι η κύρια πηγή εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Προκειμένου να αντικατασταθεί η χρήση ορυκτών καυσίμων και να προωθηθεί η υλοποίηση στρατηγικών μηδενικών εκπομπών άνθρακα, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια και η γεωθερμική ενέργεια.
Ωστόσο, η άνιση κατανομή των φυσικών πόρων έχει οδηγήσει σε περιορισμούς στη μεγάλης κλίμακας χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ως εκ τούτου, είναι επείγον να αναπτυχθούν ιδανικές τεχνολογίες μεταφοράς ενέργειας που μπορούν εύκολα να αποθηκεύουν ενέργεια και να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευρέως στην παραγωγή ενέργειας στις μεταφορές, τη βιομηχανία, το διάστημα και τις κατοικημένες περιοχές. Λόγω της δυνατότητας της τεχνολογίας υδρογόνου να επιτύχει μηδενικές εκπομπές άνθρακα, η τεχνολογία παραγωγής υδρογόνου έχει υιοθετηθεί ευρέως στις ανεπτυγμένες χώρες τις τελευταίες δεκαετίες.
Για να επιτευχθεί μια πράσινη οικονομία και μηδενικές εκπομπές άνθρακα, η τεχνολογία που βασίζεται στην ηλεκτρόλυση νερού θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη λύση. Το αέριο υδρογόνο μπορεί να παραχθεί μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού με την εφαρμογή συνεχούς ρεύματος σε μια συσκευή ηλεκτρόλυσης εξοπλισμένη με επιλεκτικές ανόδους και καθόδους. Αυτές οι συσκευές ηλεκτρόλυσης ονομάζονται ηλεκτρολύτες. Οι ηλεκτρολύτες χωρίζονται κυρίως σε τρεις κατηγορίες με βάση τα υλικά της μεμβράνης που χρησιμοποιούνται: ηλεκτρολύτες με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM), ηλεκτρολύτες με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (AEM) και ηλεκτρολύτες με μεμβράνη στερεού οξειδίου (SOEC).
Σε αντίθεση με την PEM και τη SOEC, η AEM χρησιμοποιεί πλάκες από ανοξείδωτο χάλυβα χαμηλότερου κόστους ως διπολικές πλάκες και χρησιμοποιεί καταλύτες με βάση το μέταλλο μετάπτωσης, καθιστώντας την μια οικονομικά αποδοτική τεχνολογία. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις στη βελτίωση της απόδοσης AEM, κυρίως συμπεριλαμβανομένης της σταθερότητας των μεμβρανών και των καταλυτών σε εξαιρετικά αλκαλικά περιβάλλοντα.
Η μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (AEM) διαδραματίζει βασικό ρόλο στη μετάδοση ανιόντων, την απομόνωση της καθόδου και της ανόδου και την πρόληψη της διασταυρούμενης αέριας υδρογόνου και οξυγόνου για τη βελτίωση της καθαρότητας του παραγόμενου αερίου. Η ανάπτυξη μεμβρανών ανταλλαγής ανιόντων με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, θερμική σταθερότητα και χημική σταθερότητα θα συμβάλει στη σημαντική βελτίωση της συνολικής απόδοσης και της διάρκειας ζωής των AEMWE, καθιστώντας τα να διαδραματίζουν σημαντικότερο ρόλο στην επίτευξη βιώσιμων ενεργειακών λύσεων. ρόλος.
Αρκετές μελέτες έχουν αφιερωθεί στην κατασκευή μεμβρανών ανταλλαγής ανιόντων (AEMs) ή κατιονικών πολυμερών μεμβρανών (CPMs) 1, 2 που επιτρέπουν επιλεκτικά τη διέλευση αρνητικά φορτισμένων ιόντων υδροξειδίου. Με βάση αυτές τις μελέτες, τα ΑΕΜ μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες (Εικόνα 2): (i) ΑΕΜ που περιέχουν αρυλαιθέρες και (ii) ΑΕΜ χωρίς αρυλαιθέρες.
Σε ΑΕΜ που βασίζονται σε αιθέρα, συνήθως υπάρχουν ομάδες που αποσύρουν ηλεκτρόνια όπως υπερφθοριωμένες ομάδες, σουλφονυλομάδες και καρβονυλομάδες. Αυτές οι ομάδες μειώνουν τη σταθερότητα του αιθερικού δεσμού και γίνονται οι κύριες θέσεις για πυρηνόφιλη επίθεση υπό αλκαλικές συνθήκες, με αποτέλεσμα την ταχεία αποικοδόμηση του αιθερικού δεσμού και τη μειωμένη ανθεκτικότητα του ΑΕΜ.
Τα AEM χωρίς αρυλαιθέρες περιλαμβάνουν πολυολεφίνες (όπως πολυφαινυλένιο, πολυαιθυλένιο και πολυστυρόλιο), πολυ(αρυλ πιπεριδίνες) (PAPs), πολυ(βενζιμιδαζόλες) (PBIs), πολυ(φαινυλενο αλκύλιο) (PPA) και πολυμερές βάσης Troger (TB). -ΑΕΜ που βασίζονται. Η δομική ποικιλομορφία αυτών των πολυμερών καθορίζει τις τελικές ιδιότητες της μεμβράνης, όπως η ικανότητα ανταλλαγής ιόντων (IEC), η ιοντική αγωγιμότητα (IC), η ικανότητα πρόσληψης νερού (WUC) και η χημική-θερμική σταθερότητα.
Επιπλέον, η διαθεσιμότητα συνθετικών οδών και αντιδραστηρίων παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στην παρασκευή υλικών μεμβράνης. Για παράδειγμα, η σύνθεση πολυολεφινών (POs), πολυφαινυλενίων (PPs) και των συμπολυμερών τους με φθοριούχα μονομερή συνήθως απαιτεί πολλαπλά ενδιάμεσα στάδια ή επακόλουθα στάδια διόρθωσης, τα οποία, σε συνδυασμό με τη σπανιότητα των εμπορικών αντιδραστηρίων, τα καθιστούν δαπανηρά και περιορίζουν την παραγωγή μεγάλης κλίμακας. .
Λόγω της παρουσίας πολλών συμπυκνωμένων αρωματικών υδρογονανθράκων σε αυτά τα πολυμερή, οι σχηματιζόμενες μεμβράνες είναι σχετικά άκαμπτες και έχουν χαμηλά μοριακά βάρη. Επομένως, η ικανότητα απορρόφησης νερού, η ικανότητα ανταλλαγής ιόντων και η αγωγιμότητα ιόντων αυτών των πολυμερών είναι επίσης χαμηλές και η απόδοσή τους είναι περιορισμένη. Όσον αφορά τη χημική σταθερότητα, τα πολυφαινυλένια (PPs) περιέχουν άτομα αζώτου τεταρτοταγούς αμμωνίου ως πλευρικές αλυσίδες και υπάρχει μόνο ένα άτομο άνθρακα δίπλα στο άτομο αζώτου, γεγονός που τα καθιστά πιο σταθερά από άλλα πολυμερή σε αλκαλικά περιβάλλοντα. Ωστόσο, αυτά τα πολυμερή με μεγαλύτερες αλυσίδες άνθρακα (μέχρι 2 έως 6 άτομα άνθρακα) έχουν κακή χημική σταθερότητα και δεν είναι τόσο σταθερά όσο το άζωτο τεταρτοταγούς αμμωνίου που περιέχει ένα μόνο άτομο άνθρακα.
Από την άλλη πλευρά, αν και τα πολυμερή PBI έχουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, χημική σταθερότητα και θερμική σταθερότητα, δεν έχουν καλή απόδοση σε αλκαλικά μέσα λόγω της χαμηλής ικανότητας απορρόφησης νερού (WUC) και της ιοντικής αγωγιμότητας (IC). Επιπλέον, τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται στη σύνθεση του PBI είναι σχετικά ακριβά, γεγονός που μειώνει επίσης το πλεονέκτημα επιλογής του έναντι άλλων πολυμερών.
Επί του παρόντος, τα AEM που βασίζονται στην πολυ(αρυλ πιπεριδίνη) (PAPs) έχουν γίνει μια κατηγορία πολυμερών που έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή τα τελευταία χρόνια λόγω της ευρείας διαθεσιμότητας μονομερών, της δομικής ποικιλομορφίας και των μεταβλητών φυσικών ιδιοτήτων που επιτυγχάνονται με την αλλαγή μονομερών. Αυτό το προϊόν έχει παραχθεί μαζικά και εφαρμόζεται στο εμπόριο. Αυτός ο τύπος μεμβράνης AEM έχει δοκιμαστεί σε πειράματα επιταχυνόμενης γήρανσης και η χημική ζωή άνω των δεκάδων χιλιάδων ωρών έχει μετρηθεί και εξακολουθεί να αυξάνεται.
Αντίθετα, τα πολυμερή φυματίωσης είναι μια κατηγορία πολυλειτουργικών πολυμερών που χαρακτηρίζονται από το σχηματισμό συντηγμένων δομών μέσω ατόμων αζώτου μεταξύ δύο αρωματικών δακτυλίων. Λόγω του συνδυασμού δύο ατόμων αζώτου, σχηματίζεται ένα κενό ή κανάλι, που επιτρέπει στα ιόντα υδροξυλίου να κινούνται ελεύθερα μέσα σε αυτό, αυξάνοντας έτσι την ικανότητα ανταλλαγής ιόντων (IEC), την αγωγιμότητα ιόντων (IC) και την ικανότητα απορρόφησης νερού (WUC). Τέτοια πολυμερή έχουν σημαντικά καλύτερες μηχανικές ιδιότητες από τα πολυμερή μακράς αλυσίδας μέσω τροποποιημένων μηχανικών ιδιοτήτων. Λόγω της έλλειψης ατόμων υδρογόνου στη δομή του πολυμερούς φυματίωσης, μπορεί να αποτρέψει αποτελεσματικά τις πυρηνόφιλες επιθέσεις, επομένως η αλκαλική του σταθερότητα βελτιώνεται σημαντικά.
Στην τρέχουσα ερευνητική εργασία, έχουμε σχεδιάσει επιτυχώς ένα πολυμερές TB με προσανατολισμό δομής σκάλας, το οποίο έχει άφθονα κανάλια ιόντων, ικανότητα απορρόφησης νερού {{0}}%, ικανότητα ανταλλαγής ιόντων 1,5 έως 2,0 meq /g, και ένα ιόν Η αγωγιμότητα είναι 160-170 mS/cm και η σταθερότητα σε αλκαλικό περιβάλλον έχει ξεπεράσει τις 1200 ώρες.