La crisis energética es uno de los principales desafíos para el desarrollo económico nacional. Desde el siglo pasado, la mayoría de las industrias y sectores del transporte han dependido de los combustibles fósiles como principal fuente de energía, que es la principal fuente de emisiones de gases de efecto invernadero. Para sustituir el uso de combustibles fósiles y promover la realización de estrategias de cero emisiones de carbono, es necesario el desarrollo de tecnologías de energía renovable como la energía solar, la energía eólica y la energía geotérmica.
Sin embargo, la distribución desigual de los recursos naturales ha llevado a limitaciones en el uso a gran escala de energías renovables. Por lo tanto, es urgente desarrollar tecnologías portadoras de energía ideales que puedan almacenar energía fácilmente y puedan usarse ampliamente en la producción de energía en el transporte, la industria, el espacio y las áreas residenciales. Debido al potencial de la tecnología del hidrógeno para lograr cero emisiones de carbono, la tecnología de producción de hidrógeno ha sido ampliamente adoptada en los países desarrollados en las últimas décadas.
Para lograr una economía verde y cero emisiones de carbono, la tecnología basada en la electrólisis del agua se considera una solución prometedora. El gas hidrógeno se puede producir mediante la electrólisis del agua aplicando corriente continua en un dispositivo de electrólisis equipado con ánodos y cátodos selectivos. Estos dispositivos de electrólisis se denominan electrolizadores. Los electrolizadores se dividen principalmente en tres categorías según los materiales de membrana utilizados: electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM), electrolizadores de membrana de intercambio aniónico (AEM) y electrolizadores de membrana de óxido sólido (SOEC).
A diferencia de PEM y SOEC, AEM utiliza placas de acero inoxidable de menor costo como placas bipolares y utiliza catalizadores a base de metales de transición, lo que la convierte en una tecnología rentable. Sin embargo, todavía existen algunos desafíos para mejorar el rendimiento de AEM, incluida principalmente la estabilidad de membranas y catalizadores en ambientes altamente alcalinos.
La membrana de intercambio aniónico (AEM) desempeña un papel clave en la transmisión de aniones, el aislamiento de cátodo y ánodo y la prevención del cruce de gases de hidrógeno y oxígeno para mejorar la pureza del gas generado. El desarrollo de membranas de intercambio aniónico con alta conductividad iónica, excelentes propiedades mecánicas, estabilidad térmica y estabilidad química ayudará a mejorar significativamente el rendimiento general y la vida útil de las AEMWE, haciéndolas desempeñar un papel más importante en el logro de soluciones energéticas sostenibles. role.
Se han dedicado varios estudios a la fabricación de membranas de intercambio aniónico (AEM) o membranas de polímero catiónico (CPM) 1, 2 que permiten selectivamente el paso de iones de hidróxido cargados negativamente. Según estos estudios, los AEM se pueden dividir en dos categorías (Figura 2): (i) AEM que contienen éteres arílicos y (ii) AEM sin éteres arílicos.
En los AEM a base de éter, suelen estar presentes grupos aceptores de electrones, como grupos perfluorados, grupos sulfonilo y grupos carbonilo. Estos grupos reducen la estabilidad del enlace éter y se convierten en los sitios principales para el ataque nucleofílico en condiciones alcalinas, lo que resulta en una rápida degradación del enlace éter y una menor durabilidad del AEM.
Los AEM sin éteres arílicos incluyen poliolefinas (como polifenileno, polietileno y poliestireno), poli(arilpiperidinas) (PAP), poli(bencimidazoles) (PBI), poli(fenilenalquilo) (PPA) y polímero de base de Troger (TB). AEM basados en. La diversidad estructural de estos polímeros determina las propiedades finales de la membrana, como la capacidad de intercambio iónico (IEC), la conductividad iónica (IC), la capacidad de absorción de agua (WUC) y la estabilidad química-térmica.
Además, la disponibilidad de rutas sintéticas y reactivos también juega un papel importante en la preparación de materiales de membrana. Por ejemplo, la síntesis de poliolefinas (PO), polifenilenos (PP) y sus copolímeros con monómeros fluorados suele requerir múltiples pasos intermedios o pasos de corrección posteriores, lo que, sumado a la escasez de reactivos comerciales, los encarece y limita la producción a gran escala. .
Debido a la presencia de muchos hidrocarburos aromáticos condensados en estos polímeros, las membranas formadas son relativamente rígidas y tienen pesos moleculares bajos. Por lo tanto, la capacidad de absorción de agua, la capacidad de intercambio iónico y la conductividad iónica de estos polímeros también son bajas y su rendimiento es limitado. En términos de estabilidad química, los polifenilenos (PP) contienen átomos de nitrógeno de amonio cuaternario como cadenas laterales, y solo hay un átomo de carbono al lado del átomo de nitrógeno, lo que los hace más estables que otros polímeros en ambientes alcalinos. Sin embargo, los polímeros con cadenas de carbono más largas (de 2 a 6 átomos de carbono) tienen una estabilidad química deficiente y no son tan estables como el nitrógeno de amonio cuaternario que contiene un solo átomo de carbono.
Por otro lado, aunque los polímeros PBI tienen excelentes propiedades mecánicas, estabilidad química y estabilidad térmica, se desempeñan mal en medios alcalinos debido a su baja capacidad de absorción de agua (WUC) y conductividad iónica (IC). Además, los reactivos utilizados en la síntesis de PBI son relativamente caros, lo que también reduce su ventaja de selección sobre otros polímeros.
Actualmente, los AEM basados en poli (aril piperidina) (PAP) se han convertido en una clase de polímeros que han atraído mucha atención en los últimos años debido a la amplia disponibilidad de monómeros, la diversidad estructural y las propiedades físicas variables que se logran al cambiar los monómeros. Este producto ha sido producido en masa y aplicado comercialmente. Este tipo de membrana AEM se ha probado en experimentos de envejecimiento acelerado y se ha medido una vida química de más de decenas de miles de horas, que sigue aumentando.
Por el contrario, los polímeros TB son una clase de polímeros multifuncionales caracterizados por la formación de estructuras fusionadas a través de átomos de nitrógeno entre dos anillos aromáticos. Debido a la combinación de dos átomos de nitrógeno, se forma un vacío o canal que permite que los iones hidroxilo se muevan libremente dentro de él, aumentando así la capacidad de intercambio iónico (IEC), la conductividad iónica (IC) y la capacidad de absorción de agua (WUC). Estos polímeros tienen propiedades mecánicas significativamente mejores que los polímeros de cadena larga debido a propiedades mecánicas modificadas. Debido a la falta de átomos de hidrógeno en la estructura del polímero TB, puede prevenir eficazmente los ataques nucleofílicos, por lo que su estabilidad alcalina mejora considerablemente.
En el actual trabajo de investigación, hemos diseñado con éxito un polímero TB con orientación de estructura en escalera, que tiene abundantes canales iónicos, una capacidad de absorción de agua del {{0}}%, una capacidad de intercambio iónico de 1,5 a 2,0 meq /g, y un ion. La conductividad es 160-170 mS/cm y la estabilidad en ambiente alcalino ha superado las 1200 horas.