Vodonik je obećavajući izvor energije zbog svoje velike gustine energije i nulte emisije ugljenika, što ga čini ključnim elementom u pomeranju ka neutralnosti ugljenika. Tradicionalne metode proizvodnje vodonika, poput gasifikacije uglja i parnog reformisanja metana, oslobađaju ugljen-dioksid, podrivajući ekološke ciljeve. Elektrohemijsko cepanje vode, koje daje samo vodonik i kiseonik, predstavlja čistiju alternativu.
Dok su membrane za izmjenu protona (PEM) i elektrolizatori alkalne vode (AVE) dostupni, oni se suočavaju sa ograničenjima bilo u pogledu troškova ili efikasnosti. PEM elektrolizatori se, na primer, oslanjaju na skupe metale platinske grupe (PGM) kao katalizatore, dok AVE često rade pri nižim gustinama struje i efikasnosti.
Elektrolizatori vode sa anjonoizmenjivačkim membranama (AEMVE) kombinuju prednosti i PEM i AVE, koristeći jeftine katalizatore koji nisu PGM, istovremeno podržavajući veće gustine struje i efikasnost konverzije energije. Međutim, AEM se suočavaju sa tehničkim izazovima, posebno sa degradacijom u alkalnim uslovima, što utiče na dugoročnu stabilnost. Napredak u AEM materijalima, posebno onima koji povećavaju hemijsku izdržljivost, provodljivost i mehaničku čvrstoću, ključan je za prevazilaženje ovih izazova.
Da bi se pozabavio ovim problemima, profesor Kenji Miiatake sa Univerziteta Vaseda u Japanu, radeći zajedno sa istraživačima na Univerzitetu Jamanaši, razvio je novu membranu za izmjenu anjona (AEM) sa izdržljivim hidrofobnim komponentama. Visoka provodljivost jona hidroksida (OH – ), koja je neophodna za odlične performanse u AEM vodenim elektrolizerima (AEMVE), je još jedna karakteristika ove membrane, koja je napravljena da izdrži ekstremne alkalne uslove.
Miiatake je izjavio: „Membrana na bazi polimera korišćena u ovoj studiji zadovoljava osnovne zahteve za robusnim, efikasnim materijalima u proizvodnji zelenog vodonika koji će se koristiti u elektrolizi vode. Studija je objavljena u časopisu Napredni energetski materijali.
Ugradnja 3,3″-dihloro-2′,5′-bis(trifluorometil)-1,1′:4′,1″-terfenil (TFP) monomera u polifenilensku kičmu membrane je ključni aspekt ovog proboj. Pošto njegov sastav povećava stabilnost, poseduje kapacitet da izdrži više od 810 sati izloženosti visokim koncentracijama kalijum hidroksida na 80°C, što pokazuje njegovu izdržljivost u industrijskim primenama.
Membrana je pokazala dosledne performanse tokom testiranja vodenog elektrolizera, održavajući konstantnu gustinu struje od 1,0 A·cm -2 više od 1000 sati uz minimalnu promenu napona. Prema Miiatakeu, „Izdržljivost prikazana ovde je ohrabrujući znak da naša membrana može pomoći u smanjenju troškova u proizvodnji vodonika.
Dalje, OH – provodljivost membrane dostigla je 168,7 mS·cm -1 na 80°C, nadmašujući vrednosti pomenute u ranijim istraživanjima. Ova visoka provodljivost je kritična za postizanje visoke gustine struje potrebne da bi proizvodnja vodonika bila efikasna. Kombinovanjem izdržljivosti sa tako visokom provodljivošću, tim veruje da ovaj dizajn materijala označava važan napredak ka skalabilnoj i pristupačnoj proizvodnji vodonika.
Sa zateznom čvrstoćom od 27,4 MPa i kapacitetom istezanja od 125,6%, membrane nude snažnu elastičnost, što je korisno za stabilne performanse tokom vremena. Trajnost i efikasnost ovih AEM-a čine ih vrednom komponentom u održivoj proizvodnji vodonika, podržavajući inicijative za energiju neutralne ugljen-dioksida. Ovi rezultati obećavaju za aplikacije koje uključuju zeleni vodonik.
Studija uspešno pokazuje da AEM bazirani na polifenilenu sa hidrofobnim komponentama značajno poboljšavaju stabilnost i pokazuju visoku provodljivost hidroksidnih jona sa superiornom alkalnom stabilnošću, minimizirajući degradaciju čak i u izazovnim okruženjima. Membrana omogućava stabilne performanse tokom produženog rada pri visokim gustinama struje, označavajući je kao efikasnu, isplativu opciju za proizvodnju zelenog vodonika u AEM elektrolizerima za vodu.
