Анионообменные мембраны на основе полисульфона для щелочных электролизеров воды

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методом хлорметилирования и дальнейшей кватернизации полисульфона проведен синтез анионообменной мембраны для электролизеров воды со щелочным электролитом. Определены характеристики полученной мембраны: пористость, удельная электропроводность, газоплотность. Приведен сравнительный анализ характеристик мембраны и пористой диафрагмы (аналог ZIRFON PERL), представлены результаты испытаний в составе батареи щелочного электролизера в сравнении с пористой диафрагмой на основе немодифицированного полисульфона с гидрофильным наполнителем (TiO2), синтезируемой методом фазовой инверсии. Описан возможный механизм деградации основной цепи кватернизованного полисульфона. Предложены пути дальнейшего развития технологии анионообменных мембран на основе полисульфона.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Н. Кулешов

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Автор, ответственный за переписку.
Email: ghanaman@rambler.ru
Россия, Москва

Н. В. Кулешов

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: ghanaman@rambler.ru
Россия, Москва

С. В. Курочкин

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: ghanaman@rambler.ru
Россия, Москва

А. А. Гаврилюк

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: ghanaman@rambler.ru
Россия, Москва

М. А. Климова

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: ghanaman@rambler.ru
Россия, Москва

О. Ю. Григорьева

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: oksgrig@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Кулешов, Н.В., Терентьев, А.А., Кулешов, В.Н. Способ изготовления мембраны для электролитического разложения воды. Пат. 2322460C1 (Россия). 2006. [Kuleshov, N.V., Terent’ev, A.A., and Kuleshov, V.N., Method for making membrane for electrolytic decomposition of water, Pat. 2322460C1 (Russia), 2006.]
  2. Bert, P., Ciardelli, F., Liuzzo, V., Pucci, A., Ragnoli, M., and Tampucci, A., Anionic-exchange Membranes and Polymeric Ionimers and Process for their Preparation, Pat. WO-2009007922-A3 (WIPO (PCT)), 2008.
  3. Kaczur, J.J., Yang, H., Liu, Z., Sajjad, S.D., and Masel, R.I., Carbon Dioxide and Water Electrolysis Using New Alkaline Stable Anion Membranes, Frontiers in Chemistry, 2018, vol. 6, p. 263.
  4. Liu, Z., Sajjad, S.D., Gao, Y., Yang, H., Kaczur, J.J., and Masel, R.I., The effect of membrane on an alkaline water electrolyzer, Intern. J. Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, p. 29661.
  5. Marino, M.G. and Kreuer, K.D., Alkaline Stability of Quaternary Ammonium Cations for Alkaline Fuel Cell Membranes and Ionic Liquids., ChemSusChem, 2014, vol. 8, p. 513.
  6. Fan, J., Willdorf-Cohen, S., Schibli, E.M., Paula, Z., Li, W., Skalski, T.J.G., and Holdcroft, S., Poly(bis-arylimidazoliums) possessing high hydroxide ion exchange capacity and high alkaline stability, Nature Commun., 2019, vol. 10, p. 1.
  7. Hugar, K.M., You, W., & Coates, G.W., Protocol for the Quantitative Assessment of Organic Cation Stability for Polymer Electrolytes, ACS Energy Letters, 2019, vol. 4, p. 1681.
  8. Henkensmeier, D., Kim, H.-J., Lee, H.-J., Lee, D.H., Oh, I.-H., Hong, S.-A., and Lim, T.-H., Polybenzimidazolium-Based Solid Electrolytes, Macromol. Mater. and Engineering, 2011, vol. 296, p. 899.
  9. Hugar, K.M., You, W., & Coates, G.W., Protocol for the Quantitative Assessment of Organic Cation Stability for Polymer Electrolytes, ACS Energy Letters, 2019, vol. 4, p. 1681.
  10. Lin, B., Qiu, L., Lu, J., & Yan, F., Cross-Linked Alkaline Ionic Liquid-Based Polymer Electrolytes for Alkaline Fuel Cell Applications, Chem. Mater., 2010, vol. 22, p. 6718.
  11. Guo, M., Fang, J., Xu, H., Li, W., Lu, X., Lan, C., and Li, K., Synthesis and characterization of novel anion exchange membranes based on imidazolium-type ionic liquid for alkaline fuel cells, J. Membrane Sci., 2010, vol. 362, p. 97.
  12. Araya, S.S., Zhou, F., Liso, V., Sahlin, S.L., Vang, J.R., Thomas, S., and Kær, S.K., A comprehensive review of PBI-based high temperature PEM fuel cells, Intern. J. Hydrogen Energy, 2016, vol. 41, p. 21310.
  13. Peighambardoust, S.J., Rowshanzamir, S., and Amjadi, M., Review of the proton exchange membranes for fuel cell applications, Intern. J. Hydrogen Energy, 2010, vol. 35, p. 349.
  14. Price, S.C., Williams, K.S., and Beyer, F.L., Relationships between Structure and Alkaline Stability of Imidazolium Cations for Fuel Cell Membrane Applications, ACS Macro Letters, 2014, vol. 3, p. 160.
  15. Bauer, B., Strathmann, H., and Effenberger, F., Anion-exchange membranes with improved alkaline stability, Desalination, 1990, vol. 79, p. 125.
  16. Gu, S., Cai, R., Luo, T., Chen, Z., Sun, M., Liu, Y., Yan, Y., A Soluble and Highly Conductive Ionomer for High-Performance Hydroxide Exchange Membrane Fuel Cells, Angewandte Chem. Intern. Edition, 2009, vol. 48, p. 6499.
  17. Zhang, B., Gu, S., Wang, J., Liu, Y., Herring, A.M., and Yan, Y., Tertiary sulfonium as a cationic functional group for hydroxide exchange membranes, RSC Advances, 2012, vol. 2, p. 12683.
  18. Noonan, K.J.T., Hugar, K.M., Kostalik, H.A., Lobkovsky, E.B., Abruña, H.D., and Coates, G.W., Phosphonium-Functionalized Polyethylene: a New Class of Base-Stable Alkaline Anion Exchange Membranes, J. Amer. Chem. Soc., 2012, vol. 134, p. 18161.
  19. Zhang, B., Kaspar, R.B., Gu, S., Wang, J., Zhuang, Z., and Yan, Y., A New Alkali-Stable Phosphonium Cation Based on Fundamental Understanding of Degradation Mechanisms, ChemSusChem, 2016, vol. 9, p. 2374.
  20. Zha, Y., Disabb-Miller, M.L., Johnson, Z.D., Hickner, M.A., and Tew, G.N., Metal-Cation-Based Anion Exchange Membranes, J. Amer. Chem. Soc., 2012, vol. 134, p. 4493.
  21. Zhu, T., Sha, Y., Adabi Firouzjaie, H., Peng, X., Cha, Y., Dissanayake, D.M.M.M., Smith, M.D., Vannucci, A.K., Mustain, W.E., and Tang, C., Rational Synthesis of Metallo-Cations Toward Redox- and Alkaline-Stable Metallo-Polyelectrolytes, J. Amer. Chem. Soc., 2019, vol. 142, p. 1083.
  22. Chen, N., Zhu, H., Chu, Y., Li, R., Liu, Y., and Wang, F., Cobaltocenium-containing polybenzimidazole polymers for alkaline anion exchange membrane applications, Polymer Chem., 2017, vol. 8, p. 1381.
  23. Pan, J., Chen, C., Li, Y., Wang, L., Tan, L., Li, G., Tang, X., Xiao, L., Lu, J., and Zhuang, L., Constructing ionic highway in alkaline polymer electrolytes, Energy Environ. Sci., 2014, vol. 7, p. 354.
  24. He, S.S. and Frank, C.W., Facilitating hydroxide transport in anion exchange membranes via hydrophilic grafts, J. Mater. Chem. A, 2014, vol. 2, p. 16489.
  25. Tanaka, M., Fukasawa, K., Nishino, E., Yamaguchi, S., Yamada, K., Tanaka, H., and Watanabe, M., Anion Conductive Block Poly(arylene ether)s: Synthesis, Properties, and Application in Alkaline Fuel Cells, J. Amer. Chem. Soc., 2011, vol. 133, p. 10646.
  26. Lai, A.N., Guo, D., Lin, C.X., Zhang, Q.G., Zhu, A.M., Ye, M.L., and Liu, Q.L., Enhanced performance of anion exchange membranes via crosslinking of ion cluster regions for fuel cells, J. Power Sources, 2016, vol. 327, p. 56.
  27. Pan, J., Li, Y., Han, J., Li, G., Tan, L., Chen, C., and Zhuang, L., A strategy for disentangling the conductivity–stability dilemma in alkaline polymer electrolytes, Energy & Environmental Sci., 2013, vol. 6, p. 2912.
  28. Avram, E., Butuc, E., Luca, C., and Druta, I., Polymers with Pendant Functional Group. III. Polysulfones Containing Viologen Group, J. Macromol. Sci., Pt A, 1997, vol. 34, p. 1701.
  29. Кулешов, В.Н., Кулешов, Н.В., Курочкин, С.В., Григорьева, О.Ю. Синтез и исследование электродно-диафрагменных блоков для щелочного электролиза воды. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 253. [Kuleshov, V.N., Kuleshov, N.V., Kurochkin, S.V., and Grigor’eva, O.Yu., Synthesis and Investigation of Electrode–Diaphragm Assemblies for Alkaline Water Electrolysis, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 464.]
  30. Кулешов, В.Н., Курочкин, С.В., Кулешов, Н.В., Гаврилюк, А.А., Пушкарева, И.В., Климова, М.А., Григорьева, О.Ю. Щелочной электролиз воды с анионообменными мембранами и катализаторами на основе никеля. Электрохимия. 2023. Т. 59. С. 735. [Kuleshov, V.N., Kurochkin, S.V., Kuleshov, N.V., Gavriluk, A.A., Pushkareva, I.V., Klimova, M.A., and Grigorieva O.Yu., Alkaline Water Electrolysis With Anion-Exchange Membranes And Different Types Of Electrodes, Russ. J. Electrochem., 2023, vol. 59, p. 915.]
  31. Кулешов, Н.В., Кулешов, В.Н., Довбыш, С.А., Курочкин, С.В., Удрис, Е.Я., Славнов, Ю.А. Полимерные диафрагмы на основе полисульфона для электрохимических устройств со щелочным электролитом. Журн. прикл. химии. 2018. Т. 91. С. 802. [Kuleshov, N.V., Kuleshov, V.N., Dovbysh, S.A., Kurochkin, S.V., Udris, E.Y., and Slavnov, Y.A., Polysulfone-Based Polymeric Diaphragms for Electrochemical Devices with Alkaline Electrolyte, Russ. J. Appl. Chem., 2018, vol. 91, p. 930.]
  32. Kuleshov, V.N., Kuleshov, N.V., Dovbysh, S.A., Kurochkin, S.V., and Slavnov, Yu.A., High-pressure alkaline water electrolyzer for renewable energy storage system, Proc. of 3rd Renewable Energies, Power Systems & Green Inclusive Economy (REPS-GIE), 2018. doi: 10.1109/REPSGIE.2018.8488805

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Хлорметилирование полисульфона: (а) – лабораторная установка для хлорметилирования; (б) – исходный полисульфон ПСФ-150 и его хлорметилированное производное

Скачать (535KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Пленка кватернизованного полисульфона

Скачать (217KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Механизм реакции хлорметилирования полисульфона

Скачать (93KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Возможная причина образования нерастворимого побочного продукта – сшивка полимера

Скачать (42KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Механизм кватернизации хлорметилированного полисульфона

Скачать (76KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Вольт-амперные характеристики электролизной ячейки с различными разделительными материалами: 1 – анионообменная мембрана на основе кватернизованного полисульфона; 2 – пористая диафрагма

Скачать (283KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Возможный механизм деградации основной цепи кватернизованного полисульфона

Скачать (102KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Возможный механизм деградации ионогенных групп четвертичного амина: а – бимолекулярное нуклеофильное замещение (SN2); б – элиминирование по Гофману

Скачать (55KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024