Новые мембраны для топливных элементов

Анионообменные мембраны (AEM) представляют собой полупроницаемые компоненты топливных элементов, которые могут проводить анионы, но не пропускают катионы и газы. Это позволяет разделять вещества, которые могут вступать в химическую реакцию друг с другом.

Группа исследователей из Тяньцзиньского университета в Китае недавно разработала новые типы AEM, основанные на недавно разработанном ферроцениевом материале. Их мембраны, представленные в статье, опубликованной в журнале Nature Energy , показали очень многообещающие результаты с точки зрения выходной мощности, долговечности и омического сопротивления.

«Поскольку ориентированный ферроцениевый материал смешанной валентности, разработанный в нашем исследовании, является совершенно новым для области AEM, мы столкнулись со многими трудностями и разочарованиями на этом пути», — сказал TechXplore Майкл Д. Гивер, один из исследователей, проводивших исследование. «Мы потратили длительный период исследований и много усилий, как экспериментальных, так и теоретических, чтобы достичь хороших результатов. Весь процесс от первоначальной концептуализации до окончательной публикации был запутанным, но, к счастью, успешным».

Недавнее исследование Гивера и его коллег основано на двух предыдущих работах, в которых они представили новые материалы протонообменной мембраны, обладающие магнитной чувствительностью и проводящими свойствами. Конечная цель их предыдущих исследований заключалась в том, чтобы сориентировать структуры проводящих каналов в магнитном поле, что, в свою очередь, распространило бы стратегии выравнивания на поле AEM.

«Наше исследование также является независимой новаторской работой, поскольку оно использует разные материальные системы в другой области», — сказал Гивер. «Наша основная цель заключалась в том, чтобы построить высокопроводящие каналы в AEM, ориентированные на сквозную плоскость, способствовать транспорту анионов благодаря более выровненным и прямым проводящим каналам и одновременно обеспечить надежную долговечность мембраны в топливных элементах. Мы были счастливы достичь и того, и другого».

Чтобы гарантировать, что разработанный ими полимер будет эффективным АЭМ и что на него можно будет воздействовать магнитными полями, исследователи сначала начали изучать систему материалов, содержащую железо, а именно ферроцен. В некоторых прошлых исследованиях изучались аналогичные материалы (например, металлоцены), такие как кобальтоцен, и было обнаружено, что AEM на основе этих материалов обеспечивают хорошую стабильность и высокую проводимость. Однако прошлые открытия показали, что металлоцены не могут выровняться под действием магнитных полей, поскольку они не являются парамагнитными.

«Альтернативной возможностью было использование ферроцена, который при превращении в полимер и окислении может быть парамагнитным, а также нести положительный заряд, необходимый для работы в качестве AEM», — объяснил Гивер. «Однако использования молекул железа в мембранах топливных элементов в значительной степени избегали, потому что в некоторых формах они ускоряют деградацию».

В своей предыдущей работе Гивер и его коллеги вводили ферроцианид в протонообменные мембраны. Когда они сделали это, они обнаружили, что некоторые материалы, содержащие железо, могут улучшить стабильность топливных элементов . Вдохновленные этими результатами, они теперь решили изучить потенциал использования полимеров, содержащих ферроцен, в качестве AEM, которые до сих пор никогда не оценивались.

Показана ориентированная на сквозную плоскость структура мембраны, отлитой в магнитном поле, по сравнению с изотропной структурой мембраны, отлитой без магнитного поля.  Лю и др.

«Наше исследование было сосредоточено как на высокой производительности, так и на долговечности AEM, — сказал Гивер. «Ферроцениевый материал с магнитной чувствительностью и проводящей способностью, отлитый в магнитном поле, реализовал выравнивание проводящих каналов, а состояние смешанной валентности ферроцений-ферроцен, индуцированное магнитным полем, привело к очень хорошей долговечности».

Новые АЭМ на основе ферроцения, представленные Гивером и его коллегами, имеют ориентированную на магнитное поле и проводящую структуру. Кроме того, они обладают высокой долговечностью: потеря напряжения составляет 3,9 %, а высокочастотное сопротивление увеличивается на 2,2 % в течение 500 часов при 500 мА см −2 , 120 °C и относительной влажности 40 %.

В будущем AEM, представленные этой группой исследователей, могут быть использованы для разработки стабильных, долговечных и высокоэффективных топливных элементов, которые могут работать в течение длительного времени при повышенных температурах. Первоначальные результаты, полученные Гивером и его коллегами, позволяют предположить, что их мембраны могут способствовать кинетике реакции на электродах, а также переносу отравления катализатора СО и карбонизации мембран из СО 2 путем высокотемпературной десорбции/продувки. Кроме того, они могут помочь упростить системы охлаждения и увлажнения клеток.

 

Дополнительная информация: Синь Лю и др., Ориентированные на магнитное поле ферроцениевые анионообменные мембраны со смешанной валентностью, стабилизированные магнитным полем, для топливных элементов, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-00978-y 

Синь Лю и др., Выравнивание магнитного поля стабильных протон-проводящих каналов в электролитной мембране, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-08622-2

Xin Liu et al., Ориентированные протон-проводящие полимерные электролитные мембраны с наногубчатым покрытием, Energy & Environmental Science (2019). DOI: 10.1039/C9EE03301G

Xiangwen Zhang и др., Сдвиг парадигмы для нового класса протонообменных мембран с ферроцианидными протонпроводящими группами, обеспечивающими повышенную устойчивость к окислению, Journal of Membrane Science (2020). DOI: 10.1016/j.memsci.2020.118536

Синь Лю и др., Повышение долговечности топливных элементов с протонообменной мембраной за счет добавок ферроцианида или феррицианида, Journal of Membrane Science (2021). DOI: 10.1016/j.memsci.2021.119282

Изображение: Синтетический путь наиболее эффективных ферроцениевых материалов. Лю и др.

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com