Energiakriis on riigi majandusarengu üks peamisi väljakutseid. Alates eelmisest sajandist on enamik tööstusharusid ja transpordisektoreid tuginenud fossiilkütustele kui peamisele energiaallikale, mis on kasvuhoonegaaside heitkoguste peamine allikas. Fossiilkütuste kasutamise asendamiseks ja süsinikuvabade strateegiate elluviimise soodustamiseks on vaja arendada taastuvenergia tehnoloogiaid, nagu päikeseenergia, tuuleenergia ja geotermiline energia.
Loodusvarade ebaühtlane jaotus on aga toonud kaasa piiranguid taastuvenergia laialdasel kasutamisel. Seetõttu on kiireloomuline välja töötada ideaalsed energiakandjatehnoloogiad, mis suudaksid lihtsalt energiat salvestada ja mida saaks laialdaselt kasutada energiatootmises transpordis, tööstuses, kosmose- ja elamurajoonides. Tänu vesinikutehnoloogia potentsiaalile saavutada süsinikuheite nullid, on vesiniku tootmise tehnoloogia arenenud riikides viimastel aastakümnetel laialdaselt kasutusele võetud.
Rohelise majanduse ja süsinikuheite puudumise saavutamiseks peetakse vee elektrolüüsil põhinevat tehnoloogiat paljulubavaks lahenduseks. Vesinikgaasi saab toota vee elektrolüüsi teel, rakendades selektiivanoodide ja katoodidega varustatud elektrolüüsiseadmes alalisvoolu. Neid elektrolüüsiseadmeid nimetatakse elektrolüüsiseadmeteks. Elektrolüsaatorid jagunevad kasutatavate membraanimaterjalide alusel peamiselt kolme kategooriasse: prootonvahetusmembraani elektrolüüsijad (PEM), anioonvahetusmembraani elektrolüüsijad (AEM) ja tahke oksiidmembraaniga elektrolüsaatorid (SOEC).
Erinevalt PEM-ist ja SOEC-st kasutab AEM bipolaarsete plaatidena odavamaid roostevabast terasest plaate ja siirdemetallil põhinevaid katalüsaatoreid, muutes selle kulutõhusaks tehnoloogiaks. Siiski on AEM jõudluse parandamisel endiselt mõningaid väljakutseid, sealhulgas membraanide ja katalüsaatorite stabiilsust väga leeliselises keskkonnas.
Anioonivahetusmembraan (AEM) mängib võtmerolli anioonide ülekandmisel, katoodi ja anoodi isoleerimisel ning vesiniku ja hapniku ristgaasi vältimisel, et parandada tekkiva gaasi puhtust. Kõrge ioonjuhtivuse, suurepäraste mehaaniliste omaduste, termilise stabiilsuse ja keemilise stabiilsusega anioonivahetusmembraanide väljatöötamine aitab oluliselt parandada AEMWEde üldist jõudlust ja eluiga, muutes need säästvate energialahenduste saavutamisel olulisemaks. rolli.
Mitmed uuringud on pühendatud anioonivahetusmembraanide (AEM) või katioonsete polümeermembraanide (CPM) 1, 2 valmistamisele, mis võimaldavad selektiivselt negatiivselt laetud hüdroksiidioonide läbimist. Nende uuringute põhjal võib AEM-id jagada kahte kategooriasse (joonis 2): (i) arüüleetreid sisaldavad AEM-id ja (ii) arüüleetriteta AEM-id.
Eetripõhistes AEM-ides esinevad tavaliselt elektrone eemaldavad rühmad, nagu perfluoritud rühmad, sulfonüülrühmad ja karbonüülrühmad. Need rühmad vähendavad eetersideme stabiilsust ja muutuvad leeliselistes tingimustes nukleofiilse rünnaku peamisteks kohtadeks, mille tulemuseks on eetri sideme kiire lagunemine ja AEM-i vastupidavuse vähenemine.
Ilma arüüleetriteta AEM-ide hulka kuuluvad polüolefiinid (nagu polüfenüleen, polüetüleen ja polüstüreen), polü(arüülpiperidiinid) (PAP), polü(bensimidasoolid) (PBI), polü(fenüleenalküül) (PPA) ja Trogeri aluse (TB) polümeer -põhised AEM-id. Nende polümeeride struktuurne mitmekesisus määrab membraani lõplikud omadused, nagu ioonivahetusvõime (IEC), ioonjuhtivus (IC), vee neeldumisvõime (WUC) ja keemiline-termiline stabiilsus.
Lisaks mängib membraanimaterjalide valmistamisel olulist rolli ka sünteesiteede ja reaktiivide kättesaadavus. Näiteks polüolefiinide (PO), polüfenüleenide (PP) ja nende kopolümeeride süntees fluoritud monomeeridega nõuab tavaliselt mitut vaheetappi või järgnevaid parandusetappe, mis koos kaubanduslike reaktiivide vähesusega muudab need kulukaks ja piirab suuremahulist tootmist. .
Kuna neis polümeerides on palju kondenseerunud aromaatseid süsivesinikke, on moodustunud membraanid suhteliselt jäigad ja väikese molekulmassiga. Seetõttu on ka nende polümeeride veeimavus, ioonivahetusvõime ja ioonijuhtivus madal ning nende jõudlus on piiratud. Keemilise stabiilsuse seisukohalt sisaldavad polüfenüleenid (PP-d) külgahelatena kvaternaarseid ammooniumlämmastiku aatomeid ja lämmastikuaatomi kõrval on ainult üks süsinikuaatom, mistõttu on need aluselises keskkonnas teistest polümeeridest stabiilsemad. Pikemate süsinikuahelatega (kuni 2–6 süsinikuaatomiga) polümeeridel on aga halb keemiline stabiilsus ja need ei ole nii stabiilsed kui ühte süsinikuaatomit sisaldav kvaternaarne ammooniumlämmastik.
Teisest küljest, kuigi PBI polümeeridel on suurepärased mehaanilised omadused, keemiline stabiilsus ja termiline stabiilsus, toimivad nad leeliselises keskkonnas halvasti nende madala veeimamisvõime (WUC) ja ioonjuhtivuse (IC) tõttu. Lisaks on PBI sünteesil kasutatavad reaktiivid suhteliselt kallid, mis vähendab ka selle valikueelist teiste polümeeride ees.
Praegu on polü(arüülpiperidiinil) (PAP) põhinevad AEM-id muutunud polümeeride klassiks, mis on viimastel aastatel pälvinud palju tähelepanu monomeeride laialdase kättesaadavuse, struktuurilise mitmekesisuse ja monomeeride muutmisega saavutatud muutuvate füüsikaliste omaduste tõttu. Seda toodet on masstootmine ja kaubanduslikult rakendatud. Seda tüüpi AEM-membraane on testitud kiirendatud vananemiskatsetes ning mõõdetud on enam kui kümnete tuhandete tundide pikkust keemilist eluiga ja see kasvab endiselt.
Seevastu TB polümeerid on multifunktsionaalsete polümeeride klass, mida iseloomustab sulandatud struktuuride moodustumine lämmastikuaatomite kaudu kahe aromaatse tsükli vahel. Kahe lämmastikuaatomi kombinatsiooni tõttu tekib tühimik või kanal, mis võimaldab hüdroksüülioonidel selles vabalt liikuda, suurendades seeläbi ioonivahetusvõimet (IEC), ioonijuhtivust (IC) ja vee neeldumisvõimet (WUC). Sellistel polümeeridel on muudetud mehaaniliste omaduste tõttu oluliselt paremad mehaanilised omadused kui pika ahelaga polümeeridel. Vesinikuaatomite puudumise tõttu TB polümeeri struktuuris võib see tõhusalt ära hoida nukleofiilseid rünnakuid, seega on selle leeliseline stabiilsus oluliselt paranenud.
Käesolevas uurimistöös oleme edukalt konstrueerinud redelistruktuuri orientatsiooniga TB polümeeri, millel on rohkesti ioonikanaleid, veeimavusvõime {{0}}%, ioonivahetusvõime 1,5–2,0 mekv. /g ja ioon Juhtivus on 160-170 mS/cm ja stabiilsus leeliselises keskkonnas on ületanud 1200 tundi.