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, что позволяет клеткам работать должным образом.

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 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 этих 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 их 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 АЭМ.

«Хотя оно основано на наших прошлых усилиях, 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 АЭМ 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.

«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 %.

«Для переноса анионов большинство анионообменных мембран демонстрируют изотропную проводимость (т. е. одинаковую проводимость в плоскости и в плоскости)», — сказал Гивер. «В идеале, поскольку анионы переносятся между электродами через мембрану (то есть в направлении сквозной плоскости), более короткие и прямые каналы должны быть большим преимуществом для обеспечения хорошей работы клетки».

Для повышения долговечности мембран обычные АЭМ обычно содержат положительно заряженные материалы, содержащие азот. Хотя использование этих материалов может быть эффективным для повышения долговечности клеток, часто они приводят к проблемам со стабильностью из-за химических реакций, вызывающих деградацию клеток. Поскольку мембраны, созданные Гивером и его коллегами, сочетают проводящую структуру, ориентированную на сквозную плоскость, с альтернативным анионным проводником на основе ферроцения, они могут помочь обойти эти ключевые недостатки обычных АЭМ.

«Мы были первыми, кто использовал катионы ферроцения, что позволило создать проводящую структуру, ориентированную через плоскость, и состояние со смешанной валентностью, обеспечивающее исключительную долговечность», — объяснил Гивер. «Эти результаты можно свести к следующим выводам: высокая гидроксидная проводимость мембраны в направлении сквозной плоскости; отсутствие заметной потери проводимости в течение периода испытаний на щелочную стабильность в течение 4320 часов (180 дней); одновременное улучшение как проводимости, так и стабильности; самая низкая мембрана. нормализованное по толщине высокочастотное сопротивление, а также эксплуатация и значительная долговечность при температуре 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.

«Наши мембраны также могут облегчить затопление анода водой, улучшить диффузию воды через мембрану , чтобы решить проблемы управления водой, и повысить эффективность отработанного тепла, вызванного увеличением разницы температур между блоком элементов и охлаждающей жидкостью», — добавил Гуивер. «В настоящее время мы разрабатываем альтернативные системы материалов, обладающие как чувствительностью к внешнему полю, так и проводящей способностью. Мы стремимся добиться более сильной ориентации в условиях более слабого магнитного поля , что снизит стоимость и обеспечит коммерческое масштабирование».