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一种全新的设计理念指导电解和燃料电池的质子膜开发
材料科技在线编译 / 时间:2018-07-18 10:07:19

  据新材料在线2018年7月14日讯 为了能持续不断的在化学工业或能源储存领域使用电解技术,保持电解技术进步是十分必要的。同时从长远来看,使用电化学方法生产基础化学品,既可以有效降低成本,又能将能源系统与化学品生产联系起来。
  电解工艺中通常使用膜来隔离阴极和阳极,这样可以防止电解质间混合。这种隔离膜是允许所有离子通过的微孔分离器,但有时又是单一的选择性阴离子或阳离子分离器。
  离子导电聚合物膜是电解工艺和燃料电池应用领域的重要组成部分。德国弗劳恩霍夫应用聚合物研究所(Fraunhofer IAP)的研究人员正在致力于开发超出现有技术水平的聚合物膜,以便将它们应用于如过氧化氢的分散式电化学生产过程。


可以透光的质子传导膜,它显示了膜的均匀性(图片来源:Fraunhofer IAP)

可以透光的质子传导膜,它显示了膜的均匀性(图片来源:Fraunhofer IAP)


  科学家们目前已经提出了一种全新的设计概念,用于生产廉价且环保的离子导电膜,用于电解和燃料电池。
  此开发项目中的一个重要目标便是延长膜的使用寿命,同时保持性能并降低成本。先前使用的全氟化聚合物膜,例如Nafion,具有着明显的缺点:基于这些聚合物的膜成本极高,并且随着时间的推移其质子传导性逐渐丧失,并且Nafion的氧化稳定性比较差。最重要的是,氟元素可能会释放到环境中,高浓度的氟对大多数生物有害,因此阻止氟的释放又是一项重要的考虑因素。
  聚合物苯基喹喔啉属于芳香族缩聚物族,其具有特定的热稳定性和化学稳定性。 基于对该聚合物类的研究,弗劳恩霍夫的科学家们通过缩聚反应制备新的嵌段共聚苯基喹喔啉(BPPQ)。 随后将聚合物磺化,得到可重复的磺化条件。
  他们制备的磺化BPPQs材料如二甲基乙酰胺在有机溶剂中具有优异的溶解性,同时也表现出优异的热稳定性。这两种材料性质都是隔离膜制造的核心性能。
  质子电导率与现有技术相当
  除材料的开发外,研究人员还专注于优化和简化膜制造工艺。 膜可以在实验室规模上稳定的批量生产,得到的膜也显示出了高氧化稳定性。
  基于该材料开发和制备得到的膜,可以实现与现有技术水平相当(1mS/cm)的质子传导率。 与目前的基准Nafion膜相比,新聚合物中的氟浓度可以大大降低(Nafion含有超过70%的氟,BPPQ约为5%的氟)。
  因此,新技术得到的膜更容易进行环保无害化处理,这将进一步降低使用这些新型膜的工艺成本。