改造水电解中的阴离子交换膜以实现绿色氢气生产
氢气是一种很有前途的能源，因为它具有高能量密度和零碳排放的特点，是实现碳中和的关键要素。传统的氢气生产方法，如煤气化和蒸汽甲烷重整，会释放二氧化碳，破坏环境目标。电化学水分解只产生氢气和氧气，是一种更清洁的替代方法。虽然质子交换膜(PEM) 和碱性水电解器 (AWE) 已经面世，但它们在成本或效率方面都面临限制。例如，PEM 电解器依靠昂贵的铂族金属 (PGM) 作为催化剂，而 AWE 通常在较低的电流密度和效率下运行。
阴离子交换膜水电解器 (AEMWE) 结合了 PEM 和 AWE 的优点，使用低成本、非 PGM 催化剂，同时支持更高的电流密度和能量转换效率。然而，AEM 面临技术挑战，特别是在碱性条件下的降解，这会影响长期稳定性。AEM 材料的进步，特别是那些增强化学耐久性、导电性和机械强度的材料，对于克服这些挑战至关重要。
为了解决这些问题，日本早稻田大学的宫武健二教授与山梨大学的研究人员合作，开发了一种具有耐用疏水成分的新型阴离子交换膜 (AEM)。高氢氧离子 (OH - ) 电导率是 AEM 水电解器 (AEMWE) 实现出色性能的必要条件，也是该膜的另一个特点，该膜可承受极端碱性条件。
Miyatake 表示：“这项研究中使用的聚合物膜满足了用于水电解生产绿色氢气对坚固、有效材料的基本要求。”这项研究发表在《先进能源材料》杂志上。
将 3,3"-二氯-2′,5′-双（三氟甲基）-1,1′:4′,1"-三联苯 (TFP) 单体加入膜的聚苯撑主链是这一突破的关键方面。由于其成分增强了稳定性，它能够在 80°C 的高浓度氢氧化钾环境中承受超过 810 小时的暴露，这表明它在工业应用中具有耐久性。
在水电解器测试中，该膜表现出了稳定的性能，在 1,000 多小时内维持 1.0 A·cm -2的恒定电流密度，电压变化极小。Miyatake 表示：“这里显示的耐用性是一个令人鼓舞的迹象，表明我们的膜可以帮助降低氢气生产成本。”
此外，膜的 OH -电导率在 80°C 时达到 168.7 mS·cm -1，超过了早期研究中提到的值。这种高电导率对于实现高效制氢所需的高电流密度至关重要。通过将耐用性与如此高的电导率相结合，该团队认为这种材料设计标志着朝着可扩展且经济实惠的制氢方向迈出了重要一步。
该膜的抗拉强度为27.4 MPa，伸长率为 125.6%，具有很强的弹性，有利于长期保持稳定的性能。这些 AEM 的耐用性和效率使其成为可持续氢气生产的重要组成部分，支持碳中和能源计划。这些结果为涉及绿色氢的应用带来了希望。
该研究成功证明，具有疏水成分的聚苯基 AEM 显著提高了稳定性，并表现出高氢氧离子电导率和优异的碱性稳定性，即使在具有挑战性的环境中也能最大限度地减少降解。该膜在高电流密度下长时间运行后仍能保持稳定的性能，使其成为 AEM 水电解器绿色制氢的高效、经济的选择。
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