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科学家制造出一种性能更优异的新型AEMFC电池

2021-01-26 18:21:30

阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)利用氢气发电,被认为是目前使用的质子交换膜燃料电池的替代品。然而,在碱性条件下,阴离子交换膜(AEM)存在稳定性问题。虽然可以通过交联来克服这一问题,但交联剂长度对AEMFC电池性能的具体影响尚不明了。据外媒报道,最近,韩国科学家阐明含氧交联剂的效能,利用最佳长度交联剂,制造出一种性能更优异的新型AEMFC电池。

为了改善生态环境,用绿色能源替代化石燃料,目前,氢气作为有潜力替代品备受关注。在燃料电池中,它可以用来发电,所产生的唯一副产品是水。然而,该技术尚未完全做好商业化准备,因为研究最广泛的质子交换膜燃料电池存在成本高和稳定性差问题。

相比之下,在阴离子交换膜(AEM)燃料电池中,所使用的催化剂成本更低,而且性能更好。这类电池通过聚合物电解质(由聚合物骨架和离子传导基团组成),来循环氢氧根离子(OH-),而不是质子。提高这类电解质性能的一种方法是,通过分子侧链将聚合物单元(物理或化学)连接在一起,也就是交联。虽然含氧交联剂具有亲水性,可以提高AEM的稳定性和离子导电性,但交联剂长度能够定义氧原子数目,其具体影响还不是很清楚。

在最近的一项研究中,仁川国立大学(Incheon National University)的科学家,制备带有铵离子导电基团的长AEM聚合物,并利用不同长度的含环氧乙烷交联剂,将这些分子结合在一起。他们通过大量实验,对采用不同长度交联剂的AEM进行性能对比,包括机械和热性能、保水能力、氢氧根离子电导率、形态和稳定性。

科学家们最终阐明相关机制,即交联剂长度过长,能够降低AEM性能。研究负责人Tae-Hyun Kim教授表示:“人们很可能认为,含氧交联剂的亲水性更高,并使离子导电性更好。然而,研究结果显示,过多的重复氧单元,提高了所得材料的结晶度或有序度,这反而会降低亲水性,并最终损害AEM的很多物理和化学性质。”

研究人员确定交联剂的最佳长度,并在此基础上制备AEM燃料电池,发现其性能明显超过使用不含氧交联剂的AEM。Kim教授表示:“我们得出的主要结论是,有效策略是在最佳长度交联剂中加入环氧乙烷等高亲水性分子,这将改善AEM的基本性能及其在燃料电池中的实际性能。”

就实际应用和商业化而言,AEM燃料电池仍然有待改进,但这项研究推进了新一代环保能源的发展。

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