Биполярные мембраны представляют собой класс ионопроводящих полимеров, состоящих из двух противоположно заряженных слоев, известных как катионообменный и анионообменный слой. Эти мембраны играют центральную роль в функционировании различных технологий, включая электролизеры и водородные топливные элементы.
Хотя многие компании и стартапы используют биполярные мембраны для разработки новых энергетических технологий , их основные принципы работы и кинетика сольватации ионов еще не полностью выяснены. Лучшее понимание этих принципов может помочь в будущем производстве этих материалов и способствовать их успешной интеграции в различные устройства.
Исследователи из Института Фрица-Хабера Общества Макса Планка недавно провели исследование по изучению кинетики диссоциации воды и сольватона ионов на границе раздела между двумя слоями в биполярных мембранах. Их статья, опубликованная в журнале Nature Energy , собрала ценную новую информацию, которая может помочь в будущей разработке этих мембран и перспективных электрокатализаторов для топливных элементов.
«Мы хотели понять фундаментальные принципы работы биполярных мембран и то, как они связаны с электрохимией в более широком смысле», — рассказал Tech Xplore Себастьян Онер, соответствующий автор исследования. «Биполярные мембраны существуют уже более 65 лет, но предыдущие объяснения принципов их работы были довольно неудовлетворительными. Мы хотели изменить это, соединив два поля, которые раньше считались отдельными».
Для проведения исследования Карлос Гомес Роделлар, первый автор и доктор философии. Студенту факультета интерфейсных наук пришлось решать различные исследовательские задачи в экспериментальных условиях. Во-первых, ему нужно было создать и протестировать систему, которая позволила бы ему изучать кинетику биполярных мембран без нежелательных помех, связанных с переходом ионов электролита.
«Эта система должна была постоянно оказывать физическое давление на узел мембранных электродов с металлооксидными катализаторами внутри биполярного перехода», — объяснил Онер. «Наконец, Карлосу пришлось спроектировать всю систему таким образом, чтобы мы могли контролируемо изменять температуру ячейки и увлажненных газов, чтобы выполнить анализ Аррениуса и извлечь зависящие от смещения энтропию и энтальпию активации. Все это может быть обеспечено с помощью модифицированная испытательная станция топливных элементов».
Измерения, собранные исследователями, рисуют полную картину фундаментальных принципов, лежащих в основе функционирования биполярных мембран. В частности, они выявили зависимость между энтропией активации и энтальпией внутри биполярного перехода, которая, по-видимому, связана с зависимой от смещения дисперсией межфазной емкости.
Команда также заметила, что кинетика сольватации в биполярных мембранах демонстрирует характеристики, которые не связаны с химическим составом используемых катализаторов, но, вероятно, возникают из-за энтропийных изменений в межфазном электролите. В совокупности эти открытия могут помочь в разработке более эффективных биполярных мембран для электродиализа, электролизеров CO 2 и топливных элементов H 2.
«Во всем мире исследуются различные варианты применения биполярных мембран, в том числе в многообещающих стартапах», — сказал Онер. «Здесь действительно большой потенциал. Помимо биполярных мембран, мы также смогли показать, что та же самая физика действует, когда вода диссоциирует, а ионы гидроксида сольватируются на границах раздела электрокатализаторов».
Результаты, полученные исследовательской группой в отделе наук о интерфейсах Института Фрица Габера, демонстрируют важность энтропийных изменений на стороне растворителя на границе раздела жидкость-твердое тело. Таким образом, их работа может также помочь в разработке новых многообещающих электрокатализаторов для инициирования конкретных химических реакций, например тех, которые необходимы для получения зеленого водорода из щелочных электролитов.
«Что касается биполярных мембран, все еще остаются открытые фундаментальные вопросы, которые мы хотим решить», — добавил Онер.
«Например, реакция образования воды важна, когда биполярные мембраны движутся в прямом направлении. Мы также исследуем несколько приложений в сотрудничестве с другими. К ним относятся различные типы топливных элементов и системы типа электродиализа. Когда дело доходит до сольватации ионов в электрокатализе, у нас есть несколько проектов, которые либо уже находятся на рассмотрении, либо скоро будут представлены. Следите за обновлениями».
Теги: батарея
