에너지 위기는 국가 경제 발전의 주요 과제 중 하나입니다. 지난 세기 이후 대부분의 산업과 운송 부문은 온실가스 배출의 주요 원인인 화석 연료를 주요 에너지원으로 의존해 왔습니다. 화석연료의 사용을 대체하고 탄소배출 제로 전략의 실현을 촉진하기 위해서는 태양에너지, 풍력에너지, 지열에너지 등 신재생에너지 기술 개발이 필요하다.
그러나 천연자원의 불균등한 분포로 인해 재생에너지의 대규모 활용에는 한계가 있습니다. 따라서, 에너지를 쉽게 저장할 수 있고, 교통, 산업, 우주, 주거 분야의 에너지 생산에 폭넓게 활용될 수 있는 이상적인 에너지 운반체 기술의 개발이 시급하다. 탄소 배출 제로를 달성할 수 있는 수소 기술의 잠재력으로 인해 수소 생산 기술은 지난 수십 년 동안 선진국에서 널리 채택되었습니다.
녹색 경제와 탄소 배출 제로를 달성하기 위해서는 물 전기 분해를 기반으로 한 기술이 유망한 솔루션으로 간주됩니다. 선택적 양극과 음극이 장착된 전기분해 장치에 직류를 가하여 물을 전기분해하면 수소 가스가 생성될 수 있습니다. 이러한 전기분해 장치를 전해조라고 합니다. 전해조는 사용되는 막 재료에 따라 주로 양성자 교환막 전해조(PEM), 음이온 교환막 전해조(AEM), 고체 산화물 막 전해조(SOEC)의 세 가지 범주로 나뉩니다.
AEM은 PEM, SOEC와 달리 저가형 스테인리스 강판을 양극판으로 사용하고 전이금속 기반 촉매를 사용해 비용 효율적인 기술이다. 그러나 주로 고알칼리성 환경에서 멤브레인 및 촉매의 안정성을 포함하여 AEM 성능을 개선하는 데는 여전히 몇 가지 과제가 있습니다.
음이온교환막(AEM)은 음이온 전달, 음극과 양극의 분리, 수소와 산소 교차기체 방지 등 생성가스의 순도를 높이는 데 핵심적인 역할을 한다. 높은 이온 전도도, 뛰어난 기계적 특성, 열 안정성 및 화학적 안정성을 갖춘 음이온 교환막의 개발은 AEMWE의 전반적인 성능과 수명을 크게 향상시켜 지속 가능한 에너지 솔루션을 달성하는 데 더욱 중요한 역할을 하게 할 것입니다. 역할.
음으로 하전된 수산화물 이온의 통과를 선택적으로 허용하는 음이온 교환막(AEM) 또는 양이온 고분자막(CPM) 1, 2의 제조에 대한 여러 연구가 진행되었습니다. 이러한 연구를 기반으로 AEM은 (i) 아릴 에테르가 포함된 AEM과 (ii) 아릴 에테르가 없는 AEM의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다(그림 2).
에테르 기반 AEM에는 일반적으로 과불소화 그룹, 술포닐 그룹 및 카르보닐 그룹과 같은 전자 흡인 그룹이 존재합니다. 이러한 그룹은 에테르 결합의 안정성을 감소시키고 알칼리성 조건에서 친핵성 공격의 주요 사이트가 되어 에테르 결합이 빠르게 분해되고 AEM의 내구성이 감소합니다.
아릴 에테르가 없는 AEM에는 폴리올레핀(예: 폴리페닐렌, 폴리에틸렌 및 폴리스티렌), 폴리(아릴 피페리딘)(PAP), 폴리(벤즈이미다졸)(PBI), 폴리(페닐렌 알킬)(PPA) 및 트로거 베이스(TB) 폴리머가 포함됩니다. 기반 AEM. 이러한 폴리머의 구조적 다양성은 이온 교환 용량(IEC), 이온 전도도(IC), 수분 흡수 용량(WUC) 및 화학적 열 안정성과 같은 궁극적인 막 특성을 결정합니다.
또한 합성 경로와 시약의 가용성도 막 재료 준비에 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 폴리올레핀(PO), 폴리페닐렌(PP) 및 불소화 단량체와의 공중합체의 합성에는 일반적으로 여러 중간 단계 또는 후속 수정 단계가 필요하며, 이는 상용 시약의 부족과 결합되어 비용이 많이 들고 대규모 생산이 제한됩니다. .
이들 중합체에는 축합된 방향족 탄화수소가 많이 존재하기 때문에 형성된 막은 상대적으로 단단하고 분자량이 낮습니다. 따라서 이들 고분자의 수분 흡수 능력, 이온 교환 능력, 이온 전도도도 낮고 성능도 제한적입니다. 화학적 안정성 측면에서 폴리페닐렌(PP)은 4차 암모늄 질소 원자를 측쇄로 포함하고 있으며, 질소 원자 옆에 탄소 원자가 하나만 있어 알칼리 환경에서 다른 폴리머보다 안정적입니다. 그러나 탄소 사슬이 더 긴(최대 2~6개의 탄소 원자) 폴리머는 화학적 안정성이 낮고 단일 탄소 원자를 포함하는 4차 암모늄 질소만큼 안정적이지 않습니다.
반면, PBI 폴리머는 우수한 기계적 특성, 화학적 안정성 및 열 안정성을 가지고 있지만 낮은 수분 흡수 용량(WUC) 및 이온 전도도(IC)로 인해 알칼리성 매질에서 성능이 좋지 않습니다. 또한, PBI 합성에 사용되는 시약은 상대적으로 비싸기 때문에 다른 중합체에 비해 선택 이점도 감소합니다.
현재, 폴리(아릴 피페리딘)(PAP)을 기반으로 하는 AEM은 단량체의 광범위한 가용성, 구조적 다양성 및 단량체 변경을 통해 달성되는 다양한 물리적 특성으로 인해 최근 몇 년 동안 많은 주목을 받는 중합체 종류가 되었습니다. 본 제품은 대량생산되어 상업적으로 적용되고 있습니다. 이러한 유형의 AEM 멤브레인은 가속 노화 실험에서 테스트되었으며 수만 시간 이상의 화학적 수명이 측정되었으며 여전히 증가하고 있습니다.
대조적으로, TB 폴리머는 두 개의 방향족 고리 사이의 질소 원자를 통해 융합된 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 다기능 폴리머 클래스입니다. 두 개의 질소 원자의 결합으로 인해 공극 또는 채널이 형성되어 수산기 이온이 그 안에서 자유롭게 이동할 수 있게 되어 이온 교환 용량(IEC), 이온 전도도(IC) 및 수분 흡수 용량(WUC)이 증가합니다. 이러한 폴리머는 변형된 기계적 특성을 통해 장쇄 폴리머보다 훨씬 더 나은 기계적 특성을 갖습니다. TB 폴리머 구조에 α-수소 원자가 없기 때문에 친핵성 공격을 효과적으로 방지할 수 있어 알칼리 안정성이 크게 향상됩니다.
현재 연구 작업에서 우리는 풍부한 이온 채널, {{0}}%의 수분 흡수 용량, 1.5 ~ 2.0 meq의 이온 교환 용량을 갖는 사다리 구조 방향의 결핵 폴리머를 성공적으로 설계했습니다. /g 및 이온 전도도는 160-170mS/cm이고 알칼리 환경에서의 안정성은 1200시간을 초과했습니다.