Un grupo de investigadores ha aplicado membranas de intercambio aniónico (AEM) a base de polifenileno para hacer que la producción de hidrógeno sea más eficiente y sostenible. Su fuerte diseño hidrofóbico permite un transporte eficiente de iones al tiempo que resiste la degradación química. Esto respalda su potencial para un uso sostenible y de alta eficiencia en electrolizadores de agua AEM, lo que lo convierte en un componente prometedor en aplicaciones de producción sostenible de hidrógeno, lo que promueve el objetivo futuro de una energía libre de carbono.
El hidrógeno es una fuente de energía prometedora debido a su densidad energética y cero emisiones de carbono, lo que lo convierte en un factor clave en la transición hacia la neutralidad de carbono. Los métodos convencionales de producción de hidrógeno, como la gasificación del carbón y el reformado de metano con vapor, emiten dióxido de carbono, lo que perjudica los objetivos medioambientales. La división electroquímica del agua, que produce sólo hidrógeno y oxígeno, ofrece una alternativa más limpia. Si bien se encuentran disponibles membranas de intercambio de protones (PEM) y electrolizadores de agua alcalina (AWE), enfrentan limitaciones en costo o rendimiento. Por ejemplo, los electrolizadores PEM se basan en costosos metales del grupo del platino (PGM) como catalizadores, mientras que los AWE suelen funcionar con bajas densidades de corriente y eficiencias.
Los electrolizadores de agua de membrana de intercambio aniónico (AEMWE) combinan las ventajas de PEM y AWE, utilizando catalizadores no PGM de bajo costo para respaldar la densidad de corriente y la eficiencia de conversión de energía. Sin embargo, los AEM enfrentan desafíos técnicos, especialmente la degradación en condiciones alcalinas, lo que afecta la estabilidad a largo plazo. Los avances en los materiales AEM, particularmente aquellos que aumentan la estabilidad química, la conductividad y la resistencia mecánica, son fundamentales para superar estos desafíos.
Para abordar estas cuestiones, el profesor Kenji Miyatake de la Universidad Waseda de Japón colaboró con investigadores de la Universidad de Yamanashi para desarrollar una nueva membrana de intercambio aniónico (AEM) con componentes hidrofóbicos duraderos. Publicaron su estudio en la revista. Alto contenido energético El 29 de septiembre de 2024.. Ion hidróxido (OH–) La conductividad, esencial para el rendimiento óptimo de los electrolizadores de agua AEM (AEMWE), es otra característica de esta membrana, que está diseñada para soportar condiciones altamente alcalinas. Miyatake dijo: “La membrana basada en polímeros utilizada en este estudio satisface una necesidad fundamental de materiales robustos y eficientes en la producción de hidrógeno verde para su uso en la electrólisis del agua”.
Un aspecto importante es la incorporación de monómeros de 3,3”-dicloro-2′,5′-bis(trifluorometil)-1,1′:4′,1”-terfenilo (TFP) en la cadena principal de polifenileno de la membrana. . es de este progreso. Como su composición mejora la estabilidad, tiene la capacidad de soportar altas concentraciones de hidróxido de potasio a 80°C durante más de 810 horas, lo que demuestra su durabilidad en uso industrial.
La membrana funcionó consistentemente durante las pruebas del electrolizador de agua, manteniendo una densidad de corriente constante de 1,0 A.cm.–² Durante más de 1000 horas con cambios mínimos de voltaje. Según Miyatake, “La durabilidad que se muestra aquí es una señal alentadora de que nuestra membrana puede ayudar a reducir los costos en la producción de hidrógeno.“
Además, el OH de la membrana.– La conductividad alcanzó 168,7 mS.cm.-1 a 80 °C, superando los valores reportados en estudios de investigación anteriores. Esta alta conductividad es importante para lograr la alta densidad de corriente necesaria para una producción eficiente de hidrógeno. Al combinar durabilidad con una conductividad tan alta, el equipo cree que este diseño de material marca un avance significativo hacia la producción de hidrógeno escalable y asequible.
Con una resistencia a la tracción de 27,4 MPa y una capacidad de alargamiento del 125,6 %, la membrana ofrece una gran flexibilidad, lo que resulta beneficioso para un rendimiento estable a lo largo del tiempo. La durabilidad y eficiencia de estos AEM los convierten en un componente valioso en la producción sostenible de hidrógeno, apoyando iniciativas de energía neutra en carbono. Estos resultados son prometedores para aplicaciones que involucran hidrógeno verde.
El estudio demuestra con éxito que los AEM a base de polifenileno con componentes hidrófobos aumentan significativamente la estabilidad y exhiben una alta conductividad de iones de hidróxido con una alta estabilidad alcalina, incluso en entornos hostiles. La membrana permite un rendimiento estable durante un funcionamiento prolongado con altas densidades de corriente, lo que la convierte en una opción eficiente y rentable para la producción de hidrógeno verde en electrolizadores de agua AEM.
Esta investigación nos ha acercado un paso más a un futuro energético sostenible.
