🎽 🖐🏽 🛅 Teilen und erobern: Verbesserung der Elektrolyse von Wasser 👨🏼 🙏🏽 🛷

Eine der bekanntesten chemischen Formeln, die wir seit dem Schultag kennen, ist H ₂O ist Wasserstoffoxid, d. H. Wasser. Ohne diese scheinbar einfache Substanz wäre das Leben auf unserem Planeten, wenn überhaupt, völlig anders. Zusätzlich zu seinen lebensspendenden Funktionen hat Wasser viele andere Verwendungszwecke, unter denen es sich lohnt, die Produktion von Wasserstoff (H) hervorzuheben. Eine der Methoden, um dies zu erreichen, ist die Elektrolyse von Wasser, wenn es in Komponenten unterteilt ist, d.h. für Sauerstoff und Wasserstoff. Dies ist eine ziemlich komplexe, kostspielige, aber effektive Methode. Es gibt jedoch keine solche Welt, die Wissenschaftler nicht verbessern möchten. Ein Forscherteam der University of Washington und des Los Alamos National Laboratory hat einen Weg gefunden, die Elektrolyse von Wasser zu verbessern und die Kosten seines Verhaltens erheblich zu senken, ohne das Ergebnis zu verringern. Welche Änderungen mussten in die Elektrolyse von Wasser eingeführt werden, warum wurden diese oder jene Substanzen verwendet?und welche Ergebnisse zeigt die aktualisierte Wasserstoffproduktionsmethode? Dies wird uns den Bericht von Wissenschaftlern erzählen. Gehen.

Studienbasis

Wasserstoff ist in vielerlei Hinsicht ein einzigartiges Element: Es ist das leichteste unter den Elementen des Periodensystems, und seine einatomige Version ist die häufigste Substanz im Universum. Darüber hinaus ist Wasserstoff ein äußerst freundliches Element, das mit den meisten Nichtmetallen leicht kovalente Bindungen eingeht. In der Natur finden wir Wasserstoff häufiger in der Zusammensetzung einer Substanz, auch in Wasser, als sozusagen allein.

Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoff ein geruchloses und geschmackloses Gas mit der chemischen Formel H ₂ . Es hat auch ein flüssiges Äquivalent - flüssiger Wasserstoff, der, obwohl er in der Massenkultur nicht so beliebt ist wie flüssiger Stickstoff, in Bezug auf die Temperatur nicht weniger extrem ist: Gefrierpunkt –259,14 ° C; Siedepunkt –252,87 ° C.

Es wird viel Zeit in Anspruch nehmen, alle spezifischen Anwendungen von Wasserstoff aufzulisten, da es in verschiedenen Bereichen der Produktion aktiv ist: Lebensmittelindustrie, Metallurgie, Elektronik, Ammoniak usw. Ganz zu schweigen von der Verwendung von Wasserstoff als Raketentreibstoff.

Es gibt auch verschiedene Methoden zur Herstellung von Wasserstoff: aus Erdgas, aus Kohle und durch Elektrolyse von Wasser. Nach einer groben Schätzung werden weltweit jährlich etwa 70 Millionen Tonnen verbraucht, von denen nur 100.000 Tonnen durch Elektrolyse hergestellt werden.

Diese methodische „Unterscheidung“ ist auf die Komplexität und die Kosten der Elektrolyse in Verbindung mit den resultierenden Wasserstoffvolumina im Vergleich zu anderen Methoden zurückzuführen. Es gibt jedoch immer Verbesserungsmöglichkeiten, die später besprochen werden, aber über alles in Ordnung.

Die treibende Kraft der Elektrolyse von Wasser für seine Aufspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff ist Elektrizität. Laut Wissenschaftlern ist die Niedertemperaturelektrolyse von Wasser für den Bereich der erneuerbaren Energien von besonderem Interesse, da mit dieser Methode Strom aus erneuerbaren Quellen in chemischen Bindungen in Form von hochreinem Wasserstoff gespeichert werden kann.

Bei der Niedertemperaturelektrolyse von Wasser wird eine konzentrierte Lösung von KOH (Kaliumhydroxid), einer Protonenaustauschmembran (PEM ausProtonenaustauschmembran ) oder alkalische Anionenaustauschmembran (AEM aus alkalischer Anionenaustauschermembran ).

Der Hauptvorteil der AEM-Elektrolyse gegenüber anderen Optionen sind ihre Kosten. Das heißt, für seine Implementierung besteht keine Notwendigkeit, Metalle der Platingruppe (PGM aus Metallen der Platingruppe ) als Katalysatoren zu verwenden. In diesem Fall gibt es jedoch immer einen Haken an der Instabilität des alkalischen Verfahrens aufgrund seiner Empfindlichkeit gegenüber Druckabfällen und der geringen Geschwindigkeit der Wasserstoffproduktion.

In herkömmlichen alkalischen Elektrolyseuren (Elektrolyseeinheit) zirkuliert ein flüssiger alkalischer Elektrolyt (30–40 Gew .-% KOH) durch Elektroden, die durch eine poröse Membran ( 1a ) getrennt sind.

Bild Nr. 1: Schema der Niedertemperaturelektrolyse von Wasser.

Diese Methode arbeitet bei einer Stromdichte von 300–400 mA cm ^–2 bei einer Temperatur von 60–90 ° C und einer Spannung von 1,7–2,4 V. Außerdem stellen Wissenschaftler fest, dass flüssiges KOH sehr empfindlich gegenüber CO _{2 ist} , das in Luft reichlich vorhanden ist und sich infolge von K bildet ₂ CO ₃ . Dieser Prozess verringert wiederum die anodische Reaktion und die Ionenleitfähigkeit, und das resultierende K ₂ CO ₃ wird in den Poren der Gasdiffusionsschicht abgelagert, wodurch der Ionentransfer blockiert wird. Die Schlussfolgerung ist recht einfach: Die Leistung der Elektrolyse auf KOH-Basis ist aufgrund ihrer Eigenschaften, die äußerst schwer zu kontrollieren sind, verringert.

Alternativ können Elektrolyseure auf der Basis von Ionenaustauschermembranen wirken, die einen flüssigen Elektrolyten durch einen Polymerelektrolyten ersetzen können. PEM-Elektrolyseure arbeiten normalerweise bei höheren Stromdichten (1-3 A cm ^-2 bei ~ 2,0 V) als alkalische Elektrolyseure, da die Protonenaustauschmembran eine höhere Leitfähigkeit aufweist. ( 1b ).

Die Verwendung von Festelektrolyten bei der PEM-Elektrolyse von Wasser ermöglicht die Schaffung eines kompakten Systems mit langfristigen und stabilen Struktureigenschaften bei hohen Druckabfällen (200–400 psi). Aber auch dieses Verfahren hat seine Nachteile, insbesondere die hohen Kosten der Installation für die Elektrolyse aufgrund teurer säurebeständiger Geräte und des Bedarfs an Metallen der Platingruppe.

In den letzten Jahren hat sich die AEM-Elektrolyse mehrfach verändert. Eines der wichtigsten ist die Erzeugung von Polymer AEM ( 1c ). Die alkalische AEM-Elektrolyse kombiniert viele der Vorteile anderer Verfahren: die Fähigkeit, Katalysatoren ohne PGM zu verwenden; die Fähigkeit, reines Wasser oder eine alkalische Lösung mit niedriger Konzentration anstelle von konzentrierten alkalischen Elektrolyten zu verwenden; Geringe ohmsche Verluste durch hohe Leitfähigkeit und dünnes AEM. Darüber hinaus ermöglicht das Membrandesign der Anlage den Betrieb bei erheblichen Druckabfällen und reduziert auch deren Abmessungen und Gewicht. Ganz zu schweigen von der Reduzierung der Kosten für dieses Gerät.

Es gibt viele Vorteile, Sie haben keine Zeit zu bewundern, aber es gibt auch Nachteile. Ein sehr bedeutender Nachteil der alkalischen AEM-Elektrolyse ist die Tatsache, dass ätzender konzentrierter alkalischer Elektrolyt verwendet wird. Wenn Sie reines Wasser verwenden, ist die Leistung lächerlich gering (400 mA cm ^-2 bei 1,8 V).

In ihrer Studie beschlossen die Wissenschaftler, einige der Mängel dieser Methode zu beseitigen, um sie für die Massenproduktion von Wasserstoff attraktiver zu machen. Die Forscher fanden heraus, dass eine hohe Konzentration an quaternären Ammoniumverbindungen erforderlich ist, um die Aktivität von Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklungsreaktionen im AEM-Elektrolyseur zu erhöhen. Es wurde auch gefunden, dass Phenylgruppen in der Hauptkette des Ionomers * wirken sich negativ aus und bilden bei hohen Anodenpotentialen Säurephenole.

Ionomer * - Polymere, die aus elektrisch neutralen und ionisierten Verbindungseinheiten bestehen, die in Form von Seitengruppen von Atomen kovalent an das Polymergerüst gebunden sind.

Im Allgemeinen konnten Wissenschaftler Polystyrolionomere mit einem hohen Quaternisierungsgrad * entwickeln , wodurch ein AEM-Elektrolyseur hergestellt werden konnte, dessen Leistung mit modernen PEM-Elektrolyseuren vergleichbar ist.

Quaternisierung * ist die Umwandlung von Verbindungen von Elementen der 15. Gruppe (N, P, As, Sb), deren Atome ein freies Elektronenpaar aufweisen, in quaternäre Salze, wenn sie mit Reagenzien vom RX-Typ interagieren (X ist eine Anionoidgruppe).

Forschungsergebnisse

Bevor Sie verstehen, wozu ein fortschrittlicher AEM-Elektrolyseur in der Lage ist, mussten Sie feststellen, was er nicht kann, dh die Faktoren herausfinden, die seine Leistung einschränken. Zu diesem Zweck wurden Experimente mit einer rotierenden Scheibenelektrode (RDE von einer rotierenden Scheibenelektrode ) durchgeführt. RDE-Experimente liefern Informationen zu den verschiedenen Anforderungen an Elektrolyte, die in Brennstoffzellen und Elektrolysezellen verwendet werden, indem die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und die Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) gemessen werden.

Bild Nr. 2: Einfluss der NaOH (Natriumhydroxid) -Konzentration auf die Aktivität von Elektrokatalysatoren.

Die obigen Grafiken zeigen die OER-Polarisationskurven unter Verwendung von IrO ₂und HER unter Verwendung einer polykristallinen Platinelektrode (Pt-Poly) in Abhängigkeit von der NaOH-Konzentration. Die Aktivität von OER und HER für den AEM-Elektrolyseur nahm mit zunehmender NaOH-Konzentration von 0,01 M (pH = 12) auf 1 M (pH = 14) signifikant zu. Die HOR-Aktivität von Pt-Poly zeigt maximale Aktivität bei einer NaOH-Konzentration von 0,02 M (Insert auf 2b ). Der Verlust der HOR-Aktivität bei einer höheren NaOH-Konzentration (> 0,1 M) ging auch mit einer Diffusion einher, die die Stromdichte begrenzt.

Die geringere HOR-Aktivität von Pt-Poly mit einer konzentrierten NaOH-Lösung wird durch die kumulative Kationenadsorption von Kation-Hydroxid-Wasser erklärt, die den Zugang von Wasserstoff zur Katalysatoroberfläche begrenzt. Die Co-Adsorption beeinflusst jedoch nicht die Aktivität von HER und OER, da die Adsorption von 0 bis 0,9 V erfolgt. Der Einfluss der NaOH-Konzentration auf die ORR-Aktivität von Pt-Poly zeigte einen ähnlichen Trend wie HOR.

Die ORR-Aktivität von Pt-Poly nahm mit zunehmender NaOH-Konzentration von 0,01 auf 0,1 M zu und begann dann mit einem weiteren Anstieg der NaOH-Konzentration auf 1 M abzunehmen.

Die experimentellen Ergebnisse legen nahe, dass die für AEM-Elektrolyseure und AEM-Brennstoffzellen erforderliche Ammoniumhydroxidkonzentration betragen kann anders. Für AEM-Elektrolyseure ein Ionomer mit einer höheren Ionenaustauschkapazität (IECIonenaustauschkapazität ). Ein Ionomer mit einer mittleren IEC ist besser für AEM-Brennstoffzellen geeignet, da Ionen mit einer höheren IEC aufgrund der unerwünschten Co-Adsorption von Kationenhydroxid-Wasser einen begrenzten Gastransfer verursachen.

Dann beschlossen die Wissenschaftler herauszufinden, was das Ionomer für AEM-Elektrolyseure sein sollte. Experimente mit RDE haben gezeigt, dass die Bereitstellung von Bedingungen mit hohem pH-Wert (> 13) in Elektroden wichtig ist, um hocheffiziente AEM-Elektrolyseure herzustellen.

Derzeit verfügbare Anionenaustauschionomere weisen zwei kritische Probleme auf, die die Umgebung mit hohem pH-Wert in AEM-Zellen begrenzen können.

Das erste Problem ist das Vorhandensein von Phenylgruppen in der Hauptkette des Ionomers. Eine frühere Studie zeigte, dass die Phenylgruppe in der Hauptkette des Ionomers bei OER-Potentialen oxidieren und eine saure Phenolverbindung bilden kann (pK _a = 9,6). Leider enthalten die meisten stabilen alkalischen Ionomere Phenylgruppen in ihrer Struktur.

Folglich neigen AEM-Elektrolyseure, die Ionomere verwenden, die eine Phenylgruppe enthalten, irgendwie zur Phenolbildung.

Im Hinblick auf die Oxidation der Phenylgruppe wurden mehrere äußerst wichtige Merkmale entdeckt. Die Phenolbildungsrate hängt mit der Adsorptionsenergie der Phenylgruppe an der Oberfläche der OER-Katalysatoren zusammen, und unsubstituierte Phenylgruppen in der Polymerseitenkette wirken sich im Vergleich zur Ammoniumsubstituierten Phenylgruppe schädlicher aus.

Die Struktur und Größe der Grundgerüstfragmente in polyaromatischen Verbindungen beeinflussen die Phenyladsorption stark, während die seitenfunktionalisierte Phenylgruppe aufgrund der konkurrierenden Adsorption mit Ammoniumgruppen eine viel geringere Adsorptionsenergie aufweist. Zusätzlich können Bimetall-Platinkatalysatoren (z. B. PtRu, PtNi und PtMo) die Phenyladsorptionsenergie wirksam reduzieren.

Das zweite Problem ist die geringe Konzentration der funktionellen Gruppen von Ammoniumhydroxid in den Anionenaustauschionomeren. Der IEC-Wert der für AEM-Brennstoffzellen entwickelten klassischen Anionenaustauschionomere beträgt üblicherweise etwa 1,5 mEq g ^-1 (mEq - Milliäquivalent). Für das Ionomer ist die geschätzte Ammoniumkonzentration in der mit Wasser gefüllten Elektrode relativ niedrig (~ 0,1 M). Die inhomogene Verteilung des Ionomers in der Elektrode verringert die Reaktionseffizienz und die Leitfähigkeit des Hydroxids weiter. Daher sollten höhere IEC-Ionomere nützlich sein, um die Leistung des AEM-Elektrolyseurs zu erhöhen.

Das eine zieht jedoch das andere, da für die Synthese eines Ionomers mit hohem IEC mehrere Kriterien berücksichtigt werden müssen.

Erstens gibt es eine Begrenzung der maximalen Anzahl von Ammoniumgruppen pro Polymerverbindung (der Gruppe von Atomen, aus denen das Polymer besteht).

Zweitens gehen Ionomere mit hohem IEC-Anionenaustausch während des Funktionalisierungsprozesses häufig Vernetzungsreaktionen ein, was die weitere Verarbeitung erschwert.

Und drittens werden Anionenaustauschionomere, wenn sie mit hohem IEC synthetisiert werden, häufig in Wasser löslich, was für die Verwendung in Elektroden ungeeignet ist.

Ob es Ihnen gefällt oder nicht, es wird nicht so einfach sein, all diese Einschränkungen zu umgehen. Basierend auf den obigen Daten stellten die Wissenschaftler jedoch mehrere mit Trimethylammonium ( 3a ) funktionalisierte Polystyrolionomere her .

Bild Nr. 3: Chemische Struktur der in der Studie verwendeten Polymermaterialien.

Die erzeugten Ionomere besaßen im Vergleich zu herkömmlichen Ionomerbindemitteln, die für AEM-Brennstoffzellen entwickelt wurden, ziemlich einzigartige Eigenschaften.

Erstens enthält die aliphatische Hauptpolymerkette keine Phenylgruppe. Das Fehlen einer Phenylgruppe im Polymergrundgerüst schließt die Möglichkeit einer Phenyladsorption und der Bildung von saurem Phenol aus.

Zweitens enthält das Polymergrundgerüst keine langen nichtionischen Alkylketten, die die Löslichkeit des Polymers verringern können.

Drittens haben alle Phenylgruppen in den Seitenketten substituierte Ammonium- oder Amingruppen, die die Adsorption von Phenylgruppen minimieren und zur Aufrechterhaltung eines hohen pH-Werts beitragen.

Nach Abschluss der Ionomersynthese wurde festgestellt, dass ihre IEC im Bereich von 2,2 bis 3,3 variiert. Für AEM wurde HTMA-DAPP hergestellt, d.h. Mit Hexamethyltrimethylammonium ( 3b ) funktionalisiertes Diels-Alder-Polyphenylen . Die Hydroxidleitfähigkeit von HTMA-DAPP betrug 120 mS / cm bei 80 ° C (mS - Millisiemens; Siemens - Einheit der elektrischen Leitfähigkeit).

Das Polyphenylengerüst im hochmolekularen HTMA-DAPP-Polymer bietet eine hervorragende mechanische Festigkeit (Zugspannung> 20 MPa bei 90% relativer Luftfeuchtigkeit bei 50 ° C). Quaternisiertes Polystyrol ist jedoch zu zerbrechlich, um Membranen zu erzeugen, und eignet sich daher nicht für Anwendungen mit einem wässrigen AEM-Elektrolyseur, der mechanisch stabiles AEM erfordert.

Die alkalische Stabilität von HTMA-DAPP ist ebenfalls ziemlich hoch: minimale Zersetzung für> 3000 Stunden in 4 M NaOH bei 80 ° C. Dieser Indikator garantiert AEM-Elektrolysetests bei einer Betriebstemperatur von 85 ° C.

Unter Bedingungen der Verwendung von reinem Wasser zeigt die Membranelektrode eine Stromdichte von 107 mA cm ^–2 bei 1,8 V und 60 ° C. Wenn Sie dem Wasser 0,1 M NaOH hinzufügen, erhöhen sich die Indikatoren bei 1,8 V und 60 ° C um das 3,5-fache auf 376 mA cm ^–2 .

Wenn bei Verwendung von reinem Wasser die Betriebstemperatur auf 85 Grad erhöht wird, steigt die Stromdichte im Elektrolyseur auf 224 mA cm ^-2 .

Bild 4: Die Wirkung von Ionomeren auf die AEM-Leistung.

Auf Diagramm 4azeigten Fortschritte bei der Verbesserung der Leistung des Elektrolyseurs aufgrund des untersuchten Ionomers.

Um diese Verbesserung zu erzielen, war es zunächst erforderlich, den erforderlichen Gehalt an Ionomer genau zu bestimmen. Infolgedessen betrug die Stromdichte der Membranelektrode mit 9 Gew .-% des Ionomers (zweimal höher als der Grundlinienwert) 405 mA cm ^–2 bei 1,8 V (rote Kurve), was 1,8-mal höher als der Grundlinienwert der Membranelektrode (MEA) ist.

Als nächstes wurde die Integration der Membranelektrode und der Trimethylamin (CH3) 3N-Ionen durchgeführt, die höhere IEC-Werte bei einem höheren Ionomergehalt zeigten. Die MEA-Leistung unter Verwendung von TMA-53 (IEC = 2,6) stieg signifikant an (blaue Kurve). Bei 1,8 V betrug die Stromdichte 791 mA cm & supmin; ^²Das ist 2,0-mal mehr als MEA mit TMA-45. Die Stromdichte bei 1,8 V MES mit TMA-62 (violette Kurve) und TMA-70 (grüne Kurve) stieg zusätzlich auf 860 bzw. 1360 mA cm ^–2 . Die Stromdichte von MEA mit TMA-70 war 1,7-mal höher als die von MEA mit TMA-53 und 6-mal höher als die der Basis-MEA bei 1,8 V.

Zusätzlich zur Wirkung von Ionomeren auf die Elektrolyseurleistung untersuchten die Wissenschaftler auch die Wirkung der Phenylgruppe in Ionomer ( 4b ). Hierzu wurden Versuche durchgeführt, bei denen zwei MEA verglichen wurden, die mit Ausnahme der Bindungselektrode gleich waren. Die erste Elektrode ist MEA mit HTMA-DAP und die zweite ist mit TMA-53. Der Ionomergehalt (9 Gew .-%) und der IEC-Wert (2,6) für beide Elektroden waren ebenfalls gleich.

Bei Verwendung von 0,1 M NaOH-Elektrolyt war die Leistung des Elektrolyseurs für beide Elektroden sehr ähnlich: 954 mA cm ^–2 für HTMA-DAPP MEA und 1,052 mA cm ^–2 für TMA-53 MEA. Wenn jedoch reines Wasser verwendet wurde, zeigte MEA mit TMA-53 (630 mA cm ^–2 ) eine signifikant höhere Leistung im Vergleich zu MEA mit DAPP-HTMA (484 mA cm ^–2 ).

Ähnliche Beobachtungen zeigen, dass der Betrieb der Zelle weniger empfindlich gegenüber 0,1 M NaOH ist. Dies kann durch die Tatsache erklärt werden, dass saure Phenole aus der Oxidation der Phenylgruppe durch eine alkalische Lösung neutralisiert wurden.

Ferner wurde eine detailliertere Untersuchung der Eigenschaften von MEA mit TMA-70 unter Verwendung von Katalysatoren durchgeführt, die keine Metalle der Platingruppe enthielten. Als Anode wurde ein Katalysator auf Basis von NiFe-Nanoschaum verwendet.

Die Überprüfung der Eigenschaften von MEA mit unterschiedlichem Gehalt an Ionomeren im Anoden-NiFe-Katalysator ermöglichte die Bestimmung von 20 Gew .-%. Der Gehalt an Ionomer ist am effektivsten.

Bild Nr. 5: AEM-Kapazität einer Elektrolysezelle mit einem Anodenkatalysator ohne Verwendung von Metallen der Platingruppe.

Die obige Grafik zeigt die Leistungsindikatoren eines AEM-Elektrolyseurs mit einem Anoden-NiFe-Katalysator unter den Bedingungen der Zufuhr von 1 M und 0,1 M Lösungen von NaOH (60 ° C) und reinem Wasser (85 ° C) bei 1,8 V: 5,3 A cm ^–2 (1 M NaOH); 3,2 A cm ^& supmin; ^²(0,1 M NaOH); 2,7 A cm ^{& supmin} ; ^² (klares Wasser).

Zur besseren Klarheit wurde die Leistung von MEA mit einem Anoden-NiFe-Katalysator mit den Eigenschaften einer Protonenaustauschmembran (PEM) -Elektrolysezelle unter Verwendung von Metallkatalysatoren der Platingruppe verglichen.

Im kinetischen Bereich bei Spannungen unter 1,58 V übertraf MEA mit einem NiFe-Katalysator den PEM-Elektrolyseur (Einfügung in Bild Nr. 5). Wenn genauer, dann betrug die Stromdichte MEA bei 1,5 V 300 mA cm ^–2 , und dies ist zweimal höher als die des PEM-Elektrolyseurs, bei dem IrO ₂ ( Iridiumoxid ) und nanostrukturierte Dünnfilme verwendet werden.

Bild 6: Festigkeitsindikatoren von AEM-Elektrolysezellen mit NiFe-Katalysator.

Unter anderem beschlossen die Wissenschaftler, die Festigkeit des AEM-Elektrolyseurs in sauberem Wasser zu testen. Fig. 6a zeigt einen Kurzzeitfestigkeitstest eines AEM eines Elektrolyseurs mit einem NiFe-Katalysator bei einer konstanten Stromdichte von 200 mA cm & supmin; ^² . Sowohl bei 60 als auch bei 85 ° C stieg die Spannung über ~ 10 Stunden schnell an.

Es wurde gefunden, dass die Katalysatorteilchen sowohl aus dem anodischen als auch aus dem kathodischen Auslassstrom gewaschen wurden. Dies kann darauf hinweisen, dass ein Ionomer mit hohem IEC (TMA-70) während des kontinuierlichen Betriebs keine Katalysatorteilchen zurückhielt.

Eine Erhöhung der Ionomerbindungsstärke konnte erreicht werden, indem dasselbe Ionomer mit einer niedrigeren IEC bei 60 ° C verwendet wurde.

Am 6bEin Kurzzeitfestigkeitstest eines AEM-Elektrolyseurs unter Verwendung eines TMA-53-Ionomers ist gezeigt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das System nach dem anfänglichen Spannungsanstieg von 1,75 auf 2,1 V mehr als 100 Stunden lang stabil arbeitet. Der anfängliche Spannungsanstieg während der ersten 40 Stunden ist wahrscheinlich auf die Oxidation von Phenyl zurückzuführen.

Das Fazit ist ziemlich traurig - obwohl das System hervorragende Ergebnisse in Bezug auf die Leistung zeigt, kann es in Bezug auf die Haltbarkeit nicht dasselbe vorweisen.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .

Epilog

In dieser Arbeit demonstrierten die Forscher ein Modell eines Bindemittelsystems für Elektroden, das die Leistung eines AEM-Elektrolyseurs steigern kann. Diese Option ist in ihren Eigenschaften modernen PEM-Elektrolyseuren nicht unterlegen, während sie keine Metalle der Platingruppe benötigt, was die Kosten des gesamten Systems erheblich reduziert.

Ein Bindemittel für die Elektroden wurde basierend auf den Ergebnissen von Experimenten mit einer rotierenden Scheibenelektrode synthetisiert, die die Bedeutung eines hohen lokalen pH-Werts für eine effektive Wasserstoffentwicklungsreaktion und Sauerstoffentwicklungsreaktion zeigten.

Das Entfernen von Phenylgruppen aus dem Polymergrundgerüst verhindert die Bildung von sauren Phenolen, die quaternäres Ammoniumhydroxid neutralisieren und den pH-Wert des Elektrolyten senken können. Zusätzlich wurde eine Erhöhung des pH-Werts der Elektroden durch Erhöhung des Gehalts an Ionomer und IEC erreicht.

Ein AEM-Elektrolyseur unter Verwendung eines quaternisierten Ammoniumpolystyrolionomers hat auch ohne eine zirkulierende alkalische Lösung eine hervorragende Leistung gezeigt.

Natürlich gab es einige Mängel. In Zukunft beabsichtigen die Wissenschaftler, eine Reihe zusätzlicher Studien durchzuführen, um die Leistung des entwickelten Systems zu verbessern und seine Haltbarkeit zu erhöhen.

Insgesamt sind alle berücksichtigten Beobachtungen zusätzliche Informationen auf dem Gebiet der Entwicklung hocheffizienter Elektrolyseursysteme und ermöglichen es uns, zu verstehen, wie erneuerbare Energien effizienter gespeichert werden können.

Wie die Autoren der Studie selbst sagen, sind erneuerbare Energiequellen unter dem Strich sehr instabil. Für den gleichen Zeitraum können Sie eine unterschiedliche Energiemenge erhalten, da es unterschiedliche Bedingungen geben kann (z. B. funktioniert ein Windgenerator bei ruhigem Wetter nicht sehr effektiv). Manchmal gibt es jedoch einen Energieüberschuss, der effizient entsorgt werden muss. Die Autoren dieser Arbeit glauben, dass die Nutzung dieser erneuerbaren Energie für die Erzeugung von Wasserstoff notwendig ist, dessen Bedarf nur von Jahr zu Jahr wächst.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)

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