Argyfwng ynni yw un o'r prif heriau i ddatblygiad economaidd cenedlaethol. Ers y ganrif ddiwethaf, mae'r rhan fwyaf o ddiwydiannau a sectorau trafnidiaeth wedi dibynnu ar danwydd ffosil fel y brif ffynhonnell ynni, sef prif ffynhonnell allyriadau nwyon tŷ gwydr. Er mwyn disodli'r defnydd o danwydd ffosil a hyrwyddo gwireddu strategaethau allyriadau di-garbon, mae angen datblygu technolegau ynni adnewyddadwy megis ynni solar, ynni gwynt ac ynni geothermol.
Fodd bynnag, mae dosbarthiad anwastad adnoddau naturiol wedi arwain at gyfyngiadau yn y defnydd ar raddfa fawr o ynni adnewyddadwy. Felly, mae'n frys datblygu technolegau cludwr ynni delfrydol sy'n gallu storio ynni yn hawdd ac y gellir eu defnyddio'n eang mewn cynhyrchu ynni mewn cludiant, diwydiant, gofod ac ardaloedd preswyl. Oherwydd potensial technoleg hydrogen i gyflawni allyriadau carbon sero, mae technoleg cynhyrchu hydrogen wedi'i fabwysiadu'n eang mewn gwledydd datblygedig yn ystod yr ychydig ddegawdau diwethaf.
Er mwyn cyflawni economi werdd a dim allyriadau carbon, mae technoleg sy'n seiliedig ar electrolysis dŵr yn cael ei ystyried yn ateb addawol. Gellir cynhyrchu nwy hydrogen trwy electrolysis dŵr trwy gymhwyso cerrynt uniongyrchol mewn dyfais electrolysis sydd ag anodau a chathodau dethol. Gelwir y dyfeisiau electrolysis hyn yn electrolyswyr. Rhennir electrolytewyr yn bennaf yn dri chategori yn seiliedig ar y deunyddiau bilen a ddefnyddir: electrolyzers bilen cyfnewid proton (PEM), electrolyzers bilen cyfnewid anion (AEM), ac electrolyzers bilen ocsid solet (SOEC).
Yn wahanol i PEM a SOEC, mae AEM yn defnyddio platiau dur di-staen cost is fel platiau deubegwn ac yn defnyddio catalyddion metel trosiannol, gan ei gwneud yn dechnoleg gost-effeithiol. Fodd bynnag, mae rhai heriau o hyd o ran gwella perfformiad AEM, yn bennaf gan gynnwys sefydlogrwydd pilenni a chatalyddion mewn amgylcheddau alcalïaidd iawn.
Mae bilen cyfnewid anion (AEM) yn chwarae rhan allweddol mewn trosglwyddiad anion, ynysu catod ac anod, ac atal traws-nwy hydrogen ac ocsigen i wella purdeb nwy a gynhyrchir. Bydd datblygu pilenni cyfnewid anion gyda dargludedd ïonig uchel, priodweddau mecanyddol rhagorol, sefydlogrwydd thermol a sefydlogrwydd cemegol yn helpu i wella perfformiad cyffredinol a hyd oes AEMWEs yn sylweddol, gan eu gwneud yn chwarae rhan bwysicach wrth gyflawni atebion ynni cynaliadwy. rôl.
Mae nifer o astudiaethau wedi'u neilltuo i ffugio pilenni cyfnewid anion (AEMs) neu bilenni polymer cationig (CPMs) 1, 2 sy'n caniatáu yn ddetholus i ïonau hydrocsid â gwefr negyddol basio. Yn seiliedig ar yr astudiaethau hyn, gellir rhannu AEMs yn ddau gategori (Ffigur 2): (i) AEMs sy'n cynnwys etherau aryl a (ii) AEMs heb etherau aryl.
Mewn AEMs sy'n seiliedig ar ether, mae grwpiau tynnu electronau fel grwpiau perfflworinedig, grwpiau sulfonyl, a grwpiau carbonyl fel arfer yn bresennol. Mae'r grwpiau hyn yn lleihau sefydlogrwydd y bond ether ac yn dod yn brif safleoedd ar gyfer ymosodiad niwcleoffilig o dan amodau alcalïaidd, gan arwain at ddiraddio cyflym y bond ether a llai o wydnwch yr AEM.
Mae AEMs heb etherau aryl yn cynnwys polyolefins (fel polyphenylen, polyethylen, a pholystyren), poly (piperidinau aryl) (PAPs), poly (benzimidazoles) (PBIs), poly (phenylene alkyl) (PPA), a pholymer sylfaen Troger (TB). AEMs seiliedig. Mae amrywiaeth strwythurol y polymerau hyn yn pennu priodweddau'r bilen eithaf, megis cynhwysedd cyfnewid ïon (IEC), dargludedd ïonig (IC), cynhwysedd derbyn dŵr (WUC), a sefydlogrwydd cemegol-thermol.
Yn ogystal, mae argaeledd llwybrau synthetig ac adweithyddion hefyd yn chwarae rhan bwysig wrth baratoi deunyddiau bilen. Er enghraifft, mae synthesis polyolefins (POs), polyphenylenes (PPs) a'u copolymerau â monomerau fflworin fel arfer yn gofyn am gamau canolradd lluosog neu gamau cywiro dilynol, sydd, ynghyd â phrinder adweithyddion masnachol, yn eu gwneud yn gostus ac yn cyfyngu ar gynhyrchu ar raddfa fawr. .
Oherwydd presenoldeb llawer o hydrocarbonau aromatig cyddwys yn y polymerau hyn, mae'r pilenni ffurfiedig yn gymharol anhyblyg ac mae ganddynt bwysau moleciwlaidd isel. Felly, mae gallu amsugno dŵr, cynhwysedd cyfnewid ïon, a dargludedd ïon y polymerau hyn hefyd yn isel, ac mae eu perfformiad yn gyfyngedig. O ran sefydlogrwydd cemegol, mae polyphenylenes (PPs) yn cynnwys atomau nitrogen amoniwm cwaternaidd fel cadwyni ochr, a dim ond un atom carbon sydd wrth ymyl yr atom nitrogen, sy'n eu gwneud yn fwy sefydlog na pholymerau eraill mewn amgylcheddau alcalïaidd. Fodd bynnag, mae gan y polymerau hynny sydd â chadwyni carbon hirach (hyd at 2 i 6 atom carbon) sefydlogrwydd cemegol gwael ac nid ydynt mor sefydlog â nitrogen amoniwm cwaternaidd sy'n cynnwys un atom carbon.
Ar y llaw arall, er bod gan bolymerau PBI briodweddau mecanyddol rhagorol, sefydlogrwydd cemegol, a sefydlogrwydd thermol, maent yn perfformio'n wael mewn cyfryngau alcalïaidd oherwydd eu gallu i amsugno dŵr isel (WUC) a dargludedd ïonig (IC). Yn ogystal, mae'r adweithyddion a ddefnyddir yn y synthesis o PBI yn gymharol ddrud, sydd hefyd yn lleihau ei fantais ddethol dros bolymerau eraill.
Ar hyn o bryd, mae AEMs sy'n seiliedig ar poly (aryl piperidine) (PAPs) wedi dod yn ddosbarth o bolymerau sydd wedi denu llawer o sylw yn ystod y blynyddoedd diwethaf oherwydd argaeledd eang monomerau, amrywiaeth strwythurol, a phriodweddau ffisegol amrywiol a gyflawnir trwy newid monomerau. Mae'r cynnyrch hwn wedi'i fasgynhyrchu a'i gymhwyso'n fasnachol. Mae'r math hwn o bilen AEM wedi'i brofi mewn arbrofion heneiddio carlam, ac mae bywyd cemegol mwy na degau o filoedd o oriau wedi'i fesur ac mae'n dal i gynyddu.
Mewn cyferbyniad, mae polymerau TB yn ddosbarth o bolymerau amlswyddogaethol a nodweddir gan ffurfio strwythurau ymdoddedig trwy atomau nitrogen rhwng dau gylch aromatig. Oherwydd y cyfuniad o ddau atom nitrogen, mae gwagle neu sianel yn cael ei ffurfio, gan ganiatáu i ïonau hydroxyl symud yn rhydd o'i fewn, a thrwy hynny gynyddu'r gallu cyfnewid ïon (IEC), dargludedd ïon (IC) a chynhwysedd amsugno dŵr (WUC). Mae gan bolymerau o'r fath briodweddau mecanyddol llawer gwell na pholymerau cadwyn hir trwy briodweddau mecanyddol wedi'u haddasu. Oherwydd diffyg atomau hydrogen yn y strwythur polymer TB, gall atal ymosodiadau niwclioffilig yn effeithiol, felly mae ei sefydlogrwydd alcalïaidd wedi'i wella'n fawr.
Yn y gwaith ymchwil presennol, rydym wedi dylunio polymer TB yn llwyddiannus gyda chyfeiriadedd strwythur ysgol, sydd â sianeli ïon helaeth, cynhwysedd amsugno dŵr o {{0}}%, cynhwysedd cyfnewid ïon o 1.5 i 2.0 meq /g, ac ïon Y dargludedd yw 160-170 mS/cm ac mae'r sefydlogrwydd yn yr amgylchedd alcalïaidd wedi bod yn fwy na 1200 awr.