Jump to content

Анионообменный мембранный электролиз

АЭМ-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 ]
Деградированный AEM Fumatech FAA3-PK-75 после испытаний на механическую прочность для оценки механических свойств мембраны. [ 16 ]

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 ]

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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 57cd22d9ffb4a622c869ffa74a6655c7__1717000560
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/57/c7/57cd22d9ffb4a622c869ffa74a6655c7.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Anion exchange membrane electrolysis - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)