Анионообменный мембранный электролиз
![]() Принцип работы электролиза воды AEM с HER и OER. |
Электролиз с анионообменной мембраной (АЕМ) - это электролиз воды , в котором используется полупроницаемая мембрана, проводящая ионы гидроксида (OH − ) называется анионообменной мембраной . Как и протонообменная мембрана (ПЭМ), мембрана разделяет продукты, обеспечивает электрическую изоляцию между электродами и проводит ионы. В отличие от ПЭМ, АЭМ проводит ионы гидроксида. Основным преимуществом электролиза воды AEM является то, что не требуется дорогостоящий на основе благородных металлов катализатор , вместо него можно использовать недорогой катализатор на основе переходных металлов. [ 1 ] [ 2 ] АЭМ-электролиз аналогичен щелочному электролизу воды , в котором вместо анионообменной мембраны используется неионоселективный сепаратор.
Преимущества и проблемы
[ редактировать ]Преимущества
[ редактировать ]Из всех методов электролиза воды АЭМ-электролиз может сочетать в себе преимущества щелочного электролиза воды (AWE) и электролиза PEM. [ 3 ] [ 4 ] В мембранном электролизе с полимерным электролитом используются дорогие металлы платиновой группы (МПГ), такие как платина , иридий и рутений в качестве катализатора . Иридий, например, более редок, чем платина; Ожидается, что для электролизера PEM мощностью 100 МВт потребуется 150 кг иридия, что будет стоить примерно 7 миллионов долларов США . [ 5 ] Как и щелочной водный электролиз , электроды при АЭМ-электролизе работают в щелочной среде, что позволяет использовать неблагородные, недорогие катализаторы на основе Ni, Fe, Co, Mn, Cu и т.д. [ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 6 ] [ 7 ]
Электролизер АЭМ может работать на чистой воде или слабощелочных растворах (0,1-1М КОН/NaOH), в отличие от высококонцентрированных щелочных растворов (5М КОН/NaOH) в AWE. [ 3 ] [ 8 ] Это снижает риск утечки. [ 3 ] Использование щелочного раствора, как правило, KOH/NaOH увеличивает проводимость мембраны и добавляет путь, проводящий гидроксид-ионы, что увеличивает использование катализатора. Плотность тока электролизера АЭМ без катализатора ПГМ, работающего при 1 А/см 2 Сообщалось, что для подачи чистой воды и 1 М КОН требуется напряжение 1,8 В и 1,57 В соответственно. [ 9 ] Электролит может подаваться как со стороны анода, так и со стороны катода или только со стороны анода. [ 10 ]
В конструкции AWE с нулевым зазором электроды разделены только диафрагмой, разделяющей газы. Диафрагма пропускает только ионы воды и гидроксида, но не полностью устраняет переход газа. Газообразный кислород может попасть в водородную полуячейку и вступить в реакцию на катодной стороне с образованием воды, что снижает эффективность ячейки. Переход газа со стороны выделения H 2 на сторону O 2 может представлять угрозу безопасности, поскольку может создать взрывоопасную газовую смесь с >4% мол. H 2 . [ 8 ] [ 11 ] Сообщалось, что электролизер AEM поддерживает пересечение H 2 на уровне менее 0,4% в течение 5000 часов работы. [ 12 ]
АЭМ на основе ароматического полимера является перспективным из-за значительного снижения стоимости. По сравнению с использованием мембраны Нафион в ПЭМ, производство Нафиона требовало высокотоксичных химикатов, что увеличивало стоимость (> 1000 долларов США/м2). 2 ) [ 13 ] [ 14 ] а фторуглеродный газ производится на стадии производства тетрафторэтилен, который оказывает сильное воздействие на окружающую среду. [ 15 ] Фторированное сырье не является необходимым для АЭМ, что позволяет расширить выбор недорогой полимерной химии. [ 2 ]
Проблемы
[ редактировать ]
Электролиз AEM все еще находится на ранней стадии исследований и разработок, электролиз щелочной воды находится на зрелой стадии, а электролиз PEM находится на коммерческой стадии. По электролизерам АЭМ с подачей чистой воды меньше научной литературы, чем по использованию раствора КОН. [ 11 ] Основной технической проблемой, с которой сталкивается электролизер AEM потребительского уровня, является низкая долговечность мембраны, что означает короткий срок службы или долговечность устройства. Срок службы электролизеров PEM составляет от 20 000 до 80 000 часов. [ 9 ] [ 8 ] Обзоры литературы показали, что долговечность электролизера AEM составляет > 2000 часов, > 12 000 часов и > 700 часов для подачи чистой воды (катализатор платиновой группы на аноде и катоде), концентрированной подачи KOH и 1 вес.% K 2 CO. 3 -корм соответственно. [ 9 ]
Чтобы преодолеть препятствия на пути широкомасштабного использования АЭМ, необходимо повысить ионную проводимость и долговечность. АЭМ, способные выдерживать присутствие O 2 , высокий уровень pH и температуры, превышающие 60°С. Многие АЭМ разрушаются при температурах выше 60°С, необходимы [ 17 ] [ 18 ]
Наука
[ редактировать ]Реакции
[ редактировать ]Реакции выделения кислорода (OER) требуют четырех электронов для производства одной молекулы O 2 , потребляя несколько OH. - анионы и образуют множество адсорбированных промежуточных продуктов на поверхности катализатора. Эти многочисленные стадии реакции создают высокий энергетический барьер и, следовательно, высокий перенапряжение , что приводит к замедлению ООР. Производительность электролизера АЭМ во многом зависит от ОЭР. Перенапряжение OER можно уменьшить с помощью эффективного катализатора, который разрывает промежуточную связь реакции. Кинетика реакции выделения водорода (HER) в щелочных растворах медленнее, чем в кислых, из-за дополнительной диссоциации протонов и образования промежуточного водородного соединения (H*), которого нет в кислых условиях. [ 17 ] [ 3 ]
Анодная реакция
[ редактировать ]Где * указывают вещества, адсорбированные на поверхности катализатора.
Катодная реакция
[ редактировать ]Реакция начинается с адсорбции и диссоциации воды на стадии Фольмера и либо с десорбции водорода на стадии Тафеля или стадии Хейровского.
Шаг Фольмера: |
Шаг таблицы: |
Эй, степь: |
Анионообменная мембрана
[ редактировать ]Гидроксид-ион по своей сути имеет меньшую подвижность, чем H. + Увеличение ионообменной способности может компенсировать эту меньшую подвижность, но также увеличивает набухание и снижает механическую стабильность мембраны. Сшивающие мембраны могут компенсировать механическую нестабильность мембран. Головная группа четвертичного аммония (QA) обычно используется для прикрепления полимерных матриц в AEM. Головная группа позволяет транспортировать анионы, но не катионы. QA AEM имеют низкую химическую стабильность, поскольку они чувствительны к OH. - атаковать. Многообещающие кандидаты в головные группы включают в себя головные группы на основе имидазолия и безазотистые головные группы, такие как фосфоний, сульфоний и комплекс лиганд-металл. Большинство QA и групп имидазолия разлагаются в щелочной среде путем разложения Гофмана , S N реакции 2 или реакции раскрытия цикла, особенно при высоких температурах и pH. [ 17 ] [ 19 ]
Полимерные основные цепи AEM представляют собой базовые полимеры, не содержащие катионов. Некоторыми примерами являются основные цепи на основе поли(ариленового эфира), основные цепи на основе полиолефина, основные цепи на основе полифенилена и основные цепи, содержащие катионные фрагменты. [ 17 ]
Некоторые из наиболее эффективных AEM — HTMA-DAPP, QPC-TMA, m-PBI и PFTP. [ 15 ]
Мембранный электрод в сборе
[ редактировать ]( Мембранно-электродный узел МЭА) состоит из слоя анода и катода катализатора с мембранным слоем между ними. Слой катализатора может быть нанесен на мембрану или подложку. Субстрат, покрытый катализатором (CCS), и мембрана, покрытая катализатором (CCM), представляют собой два подхода к получению МЭА. Подложка должна проводить электричество, механически поддерживать катализатор и удалять газообразные продукты.
В качестве подложки для АЭМ обычно используется никель, а для ПОМ – титан; в АЭМ можно использовать как никель, так и титан. Углеродные материалы не подходят для анодной стороны из-за их разложения под действием HO. - ионы, являющиеся нуклеофилами. [ 11 ] На катоде можно легко использовать никель, титан и углерод. Слой катализатора обычно изготавливается путем смешивания порошка катализатора и иономера с получением чернил или суспензии, которые наносятся распылением или окраской. [ 17 ] [ 11 ] Другие методы включают электроосаждение, магнетронное распыление, химическое химическое покрытие и трафаретную печать на подложке. [ 11 ] [ 20 ]
Иономеры действуют как связующее вещество для катализатора, носителя субстрата и мембраны, которые также обеспечивают ОН. - проведение ионов и увеличение электрокаталитической активности. [ 4 ] [ 17 ] [ 11 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Варко, Джон Р.; Атанасов, Пламен; Декель, Дарио Р.; Херринг, Эндрю М.; Хикнер, Майкл А.; Коль, Пол. А.; Кучернак, Энтони Р.; Мастейн, Уильям Э.; Неймейер, Китти; Скотт, Кейт; Сюй, Тунвэнь; Чжуан, Линь (2014). «Анионообменные мембраны в электрохимических энергетических системах» . Энергетическая среда. Наука . 7 (10): 3135–3191. дои : 10.1039/C4EE01303D . hdl : 10044/1/24509 .
- ^ Перейти обратно: а б Декель, Дарио Р. (январь 2018 г.). «Обзор характеристик топливных элементов с анионообменной мембраной» . Журнал источников энергии . 375 : 158–169. Бибкод : 2018JPS...375..158D . дои : 10.1016/j.jpowsour.2017.07.117 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Ян, Джухан; Чан, Мён Дже; Цзэн, Сяоцзюнь; Пак Ю Сэй; Ли, Джуён; Чхве, Сон Мук; Инь, Ядун (октябрь 2021 г.). «Недрагоценные электрокатализаторы реакции выделения кислорода при электролизе воды с анионообменной мембраной: мини-обзор» . Электрохимические коммуникации . 131 : 107118. doi : 10.1016/j.elecom.2021.107118 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ширванян, Пейдж; Ло, Аделина; Слейтер, Сорая; Ли, Сяохун (ноябрь 2021 г.). «Новые компоненты в электролизерах воды с анионообменной мембраной (AEMWE): состояние, проблемы и будущие потребности. Мини-обзор». Электрохимические коммуникации . 132 : 107140. doi : 10.1016/j.elecom.2021.107140 . hdl : 10871/127974 . S2CID 240613300 .
- ^ Хенкенсмайер, Дирк; Наджиба, Малика; Хармс, Коринна; Житка, Ян; Гнат, Яромир; Бузек, Карел (1 мая 2021 г.). «Обзор: современные коммерческие мембраны для электролиза воды на анионообменных мембранах» . Журнал электрохимического преобразования и хранения энергии . 18 (2). дои : 10.1115/1.4047963 .
- ^ Сюй, Цючэн; Чжан, Цзяхао; Ван, Цзинъю; Цзян, Хао; Ли, Чуньчжун (сентябрь 2022 г.) . ( PDF ) . EnergyChem . 4 (5): 100087. doi : 10.1016/ . S2CID 251354531 j.enchem.2022.100087
- ^ Линдквист, Грейс А.; Сюй, Цючэн; Онер, Себастьян З.; Бетчер, Шеннон В. (декабрь 2020 г.). «Мембранные электролизеры для разделения загрязненной воды» . Джоуль . 4 (12): 2549–2561. дои : 10.1016/j.joule.2020.09.020 .
- ^ Перейти обратно: а б с Шива Кумар, С.; Лим, Ханквон (ноябрь 2022 г.). «Обзор технологий электролиза воды для производства зеленого водорода» . Энергетические отчеты . 8 : 13793–13813. дои : 10.1016/j.egyr.2022.10.127 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ли, Дунгуо; Моц, Эндрю Р.; Бэ, Чулсон; Фудзимото, Сай; Ян, Гаоцян; Чжан, Фэн-Юань; Айерс, Кэтрин Э.; Ким, Ю Сын (2021). «Долговечность электролизеров воды с анионообменной мембраной» . Энергетика и экология . 14 (6): 3393–3419. дои : 10.1039/d0ee04086j .
- ^ Сюй, Дунъюй; Стивенс, Микаэла Берк; Косби, Монти Р.; Онер, Себастьян З.; Смит, Адам М.; Энман, Лиза Дж.; Айерс, Кэтрин Э.; Капуано, Кристофер Б.; Реннер, Джули Н.; Данилович, Неманья; Ли, Яоган; Ван, Хунчжи; Чжан, Цинхун; Бетчер, Шеннон В. (4 января 2019 г.). «Землясодержащие кислородные электрокатализаторы для щелочного электролиза воды на анионообменной мембране: влияние проводимости катализатора и сравнение с характеристиками в трехэлектродных ячейках». АКС-катализ . 9 (1): 7–15. дои : 10.1021/acscatal.8b04001 . S2CID 105391723 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Миллер, Хэмиш Эндрю; Бузек, Карел; Гнат, Яромир; Лоос, Стефан; Бернекер, Кристиан Иммануэль; Вайсгарбер, Томас; Рёнч, Ларс; Мейер-Хаак, Йохен (2020). «Зеленый водород из электролиза воды с анионообменной мембраной: обзор последних разработок в области критических материалов и условий эксплуатации» . Устойчивая энергетика и топливо . 4 (5): 2114–2133. дои : 10.1039/c9se01240k .
- ^ Морено-Гонсалес, Марта; Мардл, Питер; Чжу, Шан; Голамхасс, Бобак; Джонс, Шотландец; Чен, Натан; Бриттон, Бенджамин; Холдкрофт, Стивен (январь 2023 г.). «Один год эксплуатации электролизера воды с анионообменной мембраной с использованием мембраны Aemion+®: минимальная деградация, низкий уровень перехода H2 и высокая эффективность» . Журнал достижений в области источников энергии . 19 : 100109. doi : 10.1016/j.powera.2023.100109 .
- ^ Мамлюк, Мохамед (2022). «Электролизеры воды с щелочной анионообменной мембраной (АЕМ) - текущие и будущие перспективы электролизеров водорода». Комплексная возобновляемая энергия : 473–504. дои : 10.1016/B978-0-12-819727-1.00103-5 . ISBN 9780128197349 . S2CID 239231605 .
- ^ Хомейн, Пиячай; Кетелаарс, Уэсли; Лап, Тийс; Лю, Гао (март 2021 г.). «Сульфонированный ароматический полимер как будущая протонообменная мембрана: обзор методов сульфирования и сшивания» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 137 : 110471. doi : 10.1016/j.rser.2020.110471 . S2CID 228845451 .
- ^ Перейти обратно: а б Санторо, Карлос; Лавакки, Алессандро; Мустарелли, Пирс это; Примечание, Имя; Эльбаз, Лиор; Декель, Дариус Р.; Джауэн, Фредерик (22 апреля 2022 г.). «Что дальше в электролизерах воды с анионообменной мембраной? Узкие места, преимущества и будущее» . ChemSusChem . 15 (8):e202200027. Бибкод : 2022ЧСЧ..15Е0027С . дои : 10.1002/cssc.202200027 . hdl : 10281/380104 . ПМК 9310600 . ПМИД 35263034 .
- ^ Наджиба, Малика; Цой, Екатерина; Халид, Хамза; Чен, Юнфан; Ли, Цинфэн; Бэ, Чулсон; Гнат, Яромир; Плева, Микаэла; Бузек, Карел; Чан, Чон Хён; Пак, Хён С.; Хенкенсмайер, Дирк (декабрь 2021 г.). «Анионообменные мембраны, армированные нановолокном PBI, с ковалентно связанными границами раздела для использования в электролизерах воды» . Журнал мембранной науки . 640 : 119832. doi : 10.1016/j.memsci.2021.119832 . S2CID 239639812 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Ду, Найин; Рой, Клоди; Персик, Рета; Тернбулл, Мэтью; Тиле, Саймон; Бок, Кристина (13 июля 2022 г.). «Анионообменные мембранные электролизеры воды» . Химические обзоры . 122 (13): 11830–11895. doi : 10.1021/acs.chemrev.1c00854 . ПМЦ 9284563 . ПМИД 35442645 .
- ^ Чанд, Кишор; Паладино, Омбретта (февраль 2023 г.). «Последние разработки мембран и электрокатализаторов для производства водорода с помощью электролизеров воды с анионообменными мембранами: обзор». Арабский химический журнал . 16 (2): 104451. doi : 10.1016/j.arabjc.2022.104451 . hdl : 11567/1101845 . S2CID 254002110 .
- ^ Хагестейн, Кимберли, Флорида; Цзян, Шаньсюэ; Ладевиг, Брэдли П. (август 2018 г.). «Обзор синтеза и характеристики анионообменных мембран». Журнал материаловедения . 53 (16): 11131–11150. Бибкод : 2018JMatS..5311131H . дои : 10.1007/s10853-018-2409-y . hdl : 10044/1/60973 . S2CID 139833074 .
- ^ Лопес-Фернандес, Эстер; Саседон, Селия Гомес; Гил-Ростра, Джордж; Юберо, Фрэнсис; Гонсалес-Элипе, Августин Р.; Лукаса-Свекрови Энтони (20 октября 2021 г.). «Последние достижения в области электролиза щелочной мембранной воды и производства электродов» . Молекулы . 26 21):6326.doi : ( 10,3390/молекулы26216326 . hdl : 10261/256196 . ПМЦ 8587517 . ПМИД 34770735 .