前沿丨基於含氟聚烯烴膜的高性能鹼性燃料電池

2021-02-25 氟化工

本文轉自：X-MOL資訊

註：文末有研究團隊簡介及本文作者科研思路分析

通過直接電化學氧化高能量密度燃料產生電能，燃料電池技術可以為電子設備提供清潔、高效、可靠的電力。這些電子設備廣泛地應用於我們的日常生活，例如燃料電池汽車、可攜式電子設備，以及固定電子設備。因而，與傳統的化石能源技術相比，燃料電池技術被廣泛地認視為一種能有效滿足人類日益增長的能源需求而又不產生相關環境汙染的技術。

近十年來，基於陰離子交換膜的燃料電池技術引起了越來越多的關注，陰離子交換膜作為燃料電池裡的關鍵部件也隨之成為了科學研究的熱點。儘管在過去的幾年中，科研工作者們已經成功地把燃料電池的峰值功率密度從0.1 Wcm-2 提高到 1.4 Wcm-2，但是尚未實現持續、高效、穩定的運行。燃料電池長期、高效的運行依賴於聚合物膜的性能，其中包括高的導電率、穩定的機械和電化學性能。另外，根據美國能源部要求，陰離子交換膜燃料電池需要在恆定的600 mA/cm2的電流密度下運行的輸出電壓高於0.6 V才能實現商業化。目前報導的陰離子交換膜還不能達到美國能源部的測試要求，阻礙了陰離子交換膜燃料電池的商業化和大規模應用。

由美國賓夕法尼亞州立大學和美國3M公司團隊合作開發的含氟聚烯烴陰離子交換膜很好地彌補了上述缺憾。眾所周知，與基於芳基醚為主鏈的聚合物膜相比，聚烯烴基陰離子膜電化學穩定性更好，在鹼性條件下化學穩定性優異。因此，賓夕法尼亞州立大學的研究團隊開發了一系列的含氟聚烯烴陰離子膜。當基於氟聚烯烴膜的氫氧燃料電池在恆定的600 mA/cm2的電流密度下運行的時候，電池的輸出電壓在前20小時僅僅降低了11% （從0.75 V降到0.67 V）。隨後100小時電池輸出電壓降低速率非常低（0.2 mV/hr），並且能穩定運行500小時。目前，該團隊正在朝著穩定運行1000小時的目標前進（美國能源部對商業化穩定運行時間的要求是2000小時）。

實驗和計算模擬的結果都表明，在低的含水量條件下，含氟聚烯烴陰離子膜能促進氫氧根離子的傳輸，這是由於含氟聚烯烴陰離子膜對氫氧根離子和水分子都有更低的結合能。鑑於其簡單的製備方法和優異的性能，該氟聚烯烴陰離子膜有望廣泛應用於燃料電池、水電解制氫等領域，從而服務於燃料電池技術的發展。

這一成果近期發表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者和通訊作者是賓夕法尼亞州立大學博士研究生朱良。文中的燃料電池性能測試由南卡羅來納大學William E. Mustain教授團隊的Xiong Peng博士完成，計算模擬部分由賓夕法尼亞州立大學Zi-Kui Liu教授團隊的Shun-Li Shang博士完成。賓夕法尼亞州立大學的Jing Pan博士、Michael Hickner教授為文章的共同通訊作者。

原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

High Performance Anion Exchange Membrane Fuel Cells Enabled by Fluoropoly(olefin) Membranes

Liang Zhu, Xiong Peng, Shun-Li Shang, Michael T. Kwasny, Tawanda J. Zimudzi, Xuedi Yu, Nayan Saikia, Jing Pan, Zi-Kui, Liu, Gregory N. Tew, William E. Mustain, Michael Yandrasits, Michael A. Hickner

Adv. Funct. Mater., 2019, 1902059, DOI: 10.1002/adfm.201902059

朱良博士簡介


朱良，R&D Engineer, Project leaders-Petrochemicals, Lummus Technology at McDermott International Inc.。2016年5月於賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程系取得博士學位，2016年6月至2017年12月在賓夕法尼亞州立大學工作，2018年1月至2019年3月在Dioxide Materials 工作，2019年4月起就職於美國McDermott International Inc.。

研究領域為聚合物膜和功能化聚烯烴的製備、性能與應用研究。在相關領域發表SCI論文30餘篇，包括以通訊作者/第一作者發表的Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Macromolecules、Organometallics 、J. Power Sources、 Dalton Trans. 、Polym. Chem.等。獲授權發明專利3項。

科研思路分析

Q：這項研究最初是什麼目的？或者說想法是怎麼產生的？

A：如上所述，我們的研究興趣是研究開發高導電率和具有優異鹼性穩定性的聚合物膜材料。眾所周知，基於芳基醚為主鏈的聚合物膜是之前研究最多的膜材料。芳基醚為主鏈的陰離子交換膜在鹼性條件下容易受到氫氧根離子的進攻而降解，不能長久地的在燃料電池裡使用。我們的目標很簡單，就是尋找鹼性條件下穩定的聚合物材料，使其功能化後做成的陰離子交換膜具有高的導電率和優異的電化學穩定性。聚烯烴作為一種主鏈由碳碳鍵構成的高分子材料，不容易受到氫氧根離子的進攻，因而具有優異的鹼性和電化學穩定性。另一方面，聚烯烴材料製備簡單，原料豐富便宜。這為綠色環保、低成本、高性能的鹼性燃料電池隔膜的製備提供了一條理想的途徑。

Q：研究過程中遇到哪些挑戰？

A：本項研究中最大的挑戰是如何控制聚合物膜的成膜過程，找到成優化的成膜條件，以獲得完整的、各向均一、具有優異性能的聚烯烴陰離子膜。在這個過程中，我們團隊在聚合物成膜過程的經驗積累起了至關重要的作用。

此外，這項研究屬於交叉學科的研究，其中需要許多鹼性燃料電池器件方面的背景知識，而我們的團隊人員主要來源於化學和高分子材料專業，因此在鹼性燃料電池器件方面和電化學方面存在知識儲備不足的挑戰，未來希望有相關領域的研究者一起合作將研究推動到更高的層次。

Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？

A：該含氟聚烯烴陰離子膜在燃料電池器件上性能表現優異，因其具有很高的電化學穩定性和高的導電性能，因此可廣泛用於鹼性燃料電池、氯鹼工業、水電解槽、CO2電解槽等方面。我們相信這項研究成果為鹼性燃料電池的商業化提供了一種性能優異的、並且可產業化的陰離子交換膜，將對相關領域的發展產生推動作用。

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