Energetska kriza jedan je od najvećih izazova za nacionalni gospodarski razvoj. Od prošlog stoljeća većina industrija i transportnih sektora oslanja se na fosilna goriva kao glavni izvor energije, što je glavni izvor emisije stakleničkih plinova. Kako bi se zamijenila uporaba fosilnih goriva i promicala realizacija strategija nulte emisije ugljika, nužan je razvoj tehnologija obnovljivih izvora energije kao što su solarna energija, energija vjetra i geotermalna energija.
Međutim, neravnomjerna raspodjela prirodnih resursa dovela je do ograničenja u širokom korištenju obnovljive energije. Stoga je hitno potrebno razviti idealne tehnologije nositelja energije koje mogu lako pohraniti energiju i mogu se široko koristiti u proizvodnji energije u transportu, industriji, svemiru i stambenim područjima. Zbog potencijala vodikove tehnologije za postizanje nulte emisije ugljika, tehnologija proizvodnje vodika široko je prihvaćena u razvijenim zemljama u posljednjih nekoliko desetljeća.
Za postizanje zelenog gospodarstva i nulte emisije ugljika, tehnologija koja se temelji na elektrolizi vode smatra se rješenjem koje obećava. Plinoviti vodik može se proizvesti elektrolizom vode primjenom istosmjerne struje u uređaju za elektrolizu opremljenom selektivnim anodama i katodama. Ovi uređaji za elektrolizu nazivaju se elektrolizeri. Elektrolizatori se uglavnom dijele u tri kategorije na temelju korištenih membranskih materijala: elektrolizatori s membranom za izmjenu protona (PEM), elektrolizatori s membranom za anionsku izmjenu (AEM) i elektrolizatori s membranom za čvrsti oksid (SOEC).
Za razliku od PEM-a i SOEC-a, AEM koristi jeftinije ploče od nehrđajućeg čelika kao bipolarne ploče i koristi katalizatore na bazi prijelaznih metala, što ga čini ekonomičnom tehnologijom. Međutim, još uvijek postoje neki izazovi u poboljšanju AEM performansi, uglavnom uključujući stabilnost membrana i katalizatora u visoko alkalnim okruženjima.
Membrana za anionsku izmjenu (AEM) igra ključnu ulogu u prijenosu aniona, izolaciji katode i anode i sprječavanju križnog plina vodika i kisika kako bi se poboljšala čistoća proizvedenog plina. Razvoj membrana za anionsku izmjenu s visokom ionskom vodljivošću, izvrsnim mehaničkim svojstvima, toplinskom stabilnošću i kemijskom stabilnošću pomoći će značajno poboljšati ukupnu izvedbu i vijek trajanja AEMWE-a, čineći ih važnijom ulogom u postizanju održivih energetskih rješenja. uloga.
Nekoliko je studija posvećeno izradi membrana za anionsku izmjenu (AEM) ili kationskih polimernih membrana (CPM) 1, 2 koje selektivno dopuštaju prolaz negativno nabijenih hidroksidnih iona. Na temelju ovih studija, AEM-i se mogu podijeliti u dvije kategorije (Slika 2): (i) AEM-i koji sadrže aril-eter i (ii) AEM-i bez aril-etera.
U AEM na bazi etera obično su prisutne skupine koje privlače elektron kao što su perfluorirane skupine, sulfonilne skupine i karbonilne skupine. Ove skupine smanjuju stabilnost eterske veze i postaju primarna mjesta za nukleofilni napad u alkalnim uvjetima, što rezultira brzom degradacijom eterske veze i smanjenom izdržljivošću AEM-a.
AEM bez aril etera uključuju poliolefine (kao što su polifenilen, polietilen i polistiren), poli(aril piperidine) (PAP), poli(benzimidazole) (PBI), poli(fenilen alkil) (PPA) i polimer Trogerove baze (TB) -temeljeni AEM-ovi. Strukturna raznolikost ovih polimera određuje konačna svojstva membrane, kao što su kapacitet ionske izmjene (IEC), ionska vodljivost (IC), kapacitet upijanja vode (WUC) i kemijsko-toplinska stabilnost.
Osim toga, dostupnost sintetskih putova i reagensa također igra važnu ulogu u pripremi membranskih materijala. Na primjer, sinteza poliolefina (PO), polifenilena (PP) i njihovih kopolimera s fluoriranim monomerima obično zahtijeva više međukoraka ili naknadnih koraka korekcije, što ih, zajedno s nedostatkom komercijalnih reagensa, čini skupima i ograničava proizvodnju velikih razmjera .
Zbog prisutnosti mnogih kondenziranih aromatskih ugljikovodika u ovim polimerima, formirane membrane su relativno krute i imaju malu molekularnu težinu. Stoga su kapacitet apsorpcije vode, kapacitet ionske izmjene i ionska vodljivost ovih polimera također niski, a njihova je izvedba ograničena. Što se tiče kemijske stabilnosti, polifenileni (PP) sadrže kvaterne amonijeve atome dušika kao bočne lance, a uz atom dušika nalazi se samo jedan atom ugljika, što ih čini stabilnijim od drugih polimera u alkalnim sredinama. Međutim, oni polimeri s duljim lancima ugljika (do 2 do 6 atoma ugljika) imaju lošu kemijsku stabilnost i nisu tako stabilni kao kvaterni amonijev dušik koji sadrži jedan atom ugljika.
S druge strane, iako PBI polimeri imaju izvrsna mehanička svojstva, kemijsku stabilnost i toplinsku stabilnost, loši su u alkalnim medijima zbog svoje niske sposobnosti upijanja vode (WUC) i ionske vodljivosti (IC). Osim toga, reagensi korišteni u sintezi PBI relativno su skupi, što također smanjuje njegovu selekcijsku prednost u odnosu na druge polimere.
Trenutno su AEM-ovi koji se temelje na poli(aril piperidinu) (PAP) postali klasa polimera koji su posljednjih godina privukli veliku pozornost zbog široke dostupnosti monomera, strukturne raznolikosti i promjenjivih fizičkih svojstava postignutih promjenom monomera. Ovaj proizvod je masovno proizveden i komercijalno primijenjen. Ova vrsta AEM membrane testirana je u eksperimentima ubrzanog starenja, a izmjeren je kemijski životni vijek od više od desetaka tisuća sati i još se povećava.
Nasuprot tome, TB polimeri su klasa višenamjenskih polimera karakteriziranih stvaranjem spojenih struktura kroz atome dušika između dva aromatska prstena. Zbog kombinacije dvaju atoma dušika nastaje praznina ili kanal koji omogućuje slobodno kretanje hidroksilnih iona unutar nje, čime se povećava kapacitet ionske izmjene (IEC), ionska vodljivost (IC) i kapacitet apsorpcije vode (WUC). Takvi polimeri imaju značajno bolja mehanička svojstva od dugolančanih polimera kroz modificirana mehanička svojstva. Zbog nedostatka -vodikovih atoma u strukturi TB polimera, može učinkovito spriječiti nukleofilne napade, tako da je njegova alkalna stabilnost znatno poboljšana.
U trenutnom istraživačkom radu, uspješno smo dizajnirali TB polimer s ljestvičastom orijentacijom strukture, koji ima obilje ionskih kanala, kapacitet apsorpcije vode od {{0}}%, kapacitet ionske izmjene od 1,5 do 2,0 meq /g, i ion Vodljivost je 160-170 mS/cm, a stabilnost u alkalnom okruženju je premašila 1200 sati.