Khủng hoảng năng lượng là một trong những thách thức lớn đối với sự phát triển kinh tế quốc gia. Kể từ thế kỷ trước, hầu hết các ngành công nghiệp và lĩnh vực giao thông vận tải đều dựa vào nhiên liệu hóa thạch làm nguồn năng lượng chính, là nguồn phát thải khí nhà kính chính. Để thay thế việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và thúc đẩy hiện thực hóa chiến lược không phát thải carbon, việc phát triển các công nghệ năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng địa nhiệt là cần thiết.
Tuy nhiên, sự phân bổ tài nguyên thiên nhiên không đồng đều đã dẫn đến những hạn chế trong việc sử dụng năng lượng tái tạo trên quy mô lớn. Do đó, việc phát triển các công nghệ mang năng lượng lý tưởng có thể dễ dàng lưu trữ năng lượng và có thể được sử dụng rộng rãi trong sản xuất năng lượng trong giao thông vận tải, công nghiệp, không gian và khu dân cư là rất cấp thiết. Do tiềm năng của công nghệ hydro trong việc đạt được lượng khí thải carbon bằng 0, công nghệ sản xuất hydro đã được áp dụng rộng rãi ở các nước phát triển trong vài thập kỷ qua.
Để đạt được nền kinh tế xanh và không phát thải carbon, công nghệ dựa trên điện phân nước được coi là giải pháp đầy hứa hẹn. Khí hydro có thể được tạo ra thông qua quá trình điện phân nước bằng cách cho dòng điện một chiều vào thiết bị điện phân được trang bị cực dương và cực âm chọn lọc. Những thiết bị điện phân này được gọi là máy điện phân. Máy điện phân chủ yếu được chia thành ba loại dựa trên vật liệu màng được sử dụng: máy điện phân màng trao đổi proton (PEM), máy điện phân màng trao đổi anion (AEM) và máy điện phân màng oxit rắn (SOEC).
Không giống như PEM và SOEC, AEM sử dụng các tấm thép không gỉ có chi phí thấp hơn làm tấm lưỡng cực và sử dụng chất xúc tác dựa trên kim loại chuyển tiếp, khiến đây trở thành công nghệ tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, vẫn còn một số thách thức trong việc cải thiện hiệu suất AEM, chủ yếu bao gồm tính ổn định của màng và chất xúc tác trong môi trường có tính kiềm cao.
Màng trao đổi anion (AEM) đóng vai trò quan trọng trong việc truyền anion, cách ly cực âm và cực dương, ngăn chặn khí chéo hydro và oxy để cải thiện độ tinh khiết của khí được tạo ra. Sự phát triển của màng trao đổi anion có độ dẫn ion cao, tính chất cơ học tuyệt vời, ổn định nhiệt và ổn định hóa học sẽ giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và tuổi thọ tổng thể của AEMWE, khiến chúng đóng vai trò quan trọng hơn trong việc đạt được các giải pháp năng lượng bền vững. vai trò.
Một số nghiên cứu đã được dành cho việc chế tạo màng trao đổi anion (AEM) hoặc màng polyme cation (CPM) 1, 2 cho phép có chọn lọc các ion hydroxit tích điện âm đi qua. Dựa trên những nghiên cứu này, AEM có thể được chia thành hai loại (Hình 2): (i) AEM chứa ete aryl và (ii) AEM không chứa ete aryl.
Trong AEM dựa trên ether, các nhóm rút electron như nhóm perfluorinated, nhóm sulfonyl và nhóm carbonyl thường có mặt. Các nhóm này làm giảm tính ổn định của liên kết ether và trở thành vị trí chính cho sự tấn công nucleophilic trong điều kiện kiềm, dẫn đến sự suy giảm nhanh chóng của liên kết ether và giảm độ bền của AEM.
AEM không có ete aryl bao gồm polyolefin (như polyphenylene, polyethylene và polystyrene), poly(aryl piperidine) (PAP), poly(benzimidazoles) (PBIs), poly(phenylene alkyl) (PPA) và troger's base (TB) polymer dựa trên AEM. Sự đa dạng về cấu trúc của các polyme này quyết định các đặc tính cơ bản của màng, chẳng hạn như khả năng trao đổi ion (IEC), độ dẫn ion (IC), khả năng hấp thụ nước (WUC) và độ ổn định nhiệt hóa học.
Ngoài ra, sự sẵn có của các tuyến tổng hợp và thuốc thử cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chế vật liệu màng. Ví dụ, quá trình tổng hợp polyolefin (PO), polyphenylene (PP) và copolyme của chúng với monome flo hóa thường đòi hỏi nhiều bước trung gian hoặc các bước hiệu chỉnh tiếp theo, cùng với sự khan hiếm của thuốc thử thương mại, khiến chúng tốn kém và hạn chế sản xuất quy mô lớn. .
Do sự có mặt của nhiều hydrocacbon thơm ngưng tụ trong các polyme này nên màng được hình thành tương đối cứng và có trọng lượng phân tử thấp. Do đó, khả năng hấp thụ nước, khả năng trao đổi ion và độ dẫn ion của các polyme này cũng thấp và hiệu suất của chúng bị hạn chế. Về độ ổn định hóa học, polyphenylene (PP) chứa các nguyên tử nitơ amoni bậc bốn làm chuỗi bên và chỉ có một nguyên tử carbon bên cạnh nguyên tử nitơ, khiến chúng ổn định hơn các polyme khác trong môi trường kiềm. Tuy nhiên, những polyme có chuỗi cacbon dài hơn (lên đến 2 đến 6 nguyên tử cacbon) có độ ổn định hóa học kém và không ổn định như nitơ amoni bậc bốn chứa một nguyên tử cacbon.
Mặt khác, mặc dù polyme PBI có các tính chất cơ học tuyệt vời, tính ổn định hóa học và tính ổn định nhiệt nhưng chúng hoạt động kém trong môi trường kiềm do khả năng hấp thụ nước (WUC) và độ dẫn ion (IC) thấp. Ngoài ra, thuốc thử được sử dụng trong quá trình tổng hợp PBI tương đối đắt tiền, điều này cũng làm giảm lợi thế lựa chọn của nó so với các polyme khác.
Hiện tại, AEM dựa trên poly(aryl piperidine) (PAP) đã trở thành một loại polyme thu hút nhiều sự chú ý trong những năm gần đây do sự sẵn có rộng rãi của các monome, sự đa dạng về cấu trúc và các tính chất vật lý thay đổi đạt được bằng cách thay đổi các monome. Sản phẩm này đã được sản xuất hàng loạt và ứng dụng thương mại. Loại màng AEM này đã được thử nghiệm trong các thí nghiệm lão hóa nhanh và tuổi thọ hóa học hơn hàng chục nghìn giờ đã được đo và vẫn đang tăng lên.
Ngược lại, polyme TB là một loại polyme đa chức năng được đặc trưng bởi sự hình thành các cấu trúc hợp nhất thông qua các nguyên tử nitơ giữa hai vòng thơm. Do sự kết hợp của hai nguyên tử nitơ, một khoảng trống hoặc kênh được hình thành, cho phép các ion hydroxyl di chuyển tự do bên trong nó, từ đó làm tăng khả năng trao đổi ion (IEC), độ dẫn ion (IC) và khả năng hấp thụ nước (WUC). Các polyme như vậy có tính chất cơ học tốt hơn đáng kể so với các polyme chuỗi dài thông qua các tính chất cơ học được sửa đổi. Do cấu trúc polyme TB không có nguyên tử hydro nên nó có thể ngăn chặn các cuộc tấn công ái nhân một cách hiệu quả, do đó độ ổn định kiềm của nó được cải thiện rất nhiều.
Trong công trình nghiên cứu hiện tại, chúng tôi đã thiết kế thành công polyme TB có cấu trúc định hướng bậc thang, có kênh ion dồi dào, khả năng hút nước {0}}%, khả năng trao đổi ion từ 1,5 đến 2,0 meq. /g và ion Độ dẫn điện là 160-170 mS/cm và độ ổn định trong môi trường kiềm đã vượt quá 1200 giờ.