Energetska kriza je eden največjih izzivov za nacionalni gospodarski razvoj. Od prejšnjega stoletja se večina industrij in transportnih sektorjev zanaša na fosilna goriva kot glavni vir energije, ki je glavni vir emisij toplogrednih plinov. Za nadomestitev uporabe fosilnih goriv in spodbujanje uresničevanja strategij brez emisij ogljika je potreben razvoj tehnologij obnovljivih virov energije, kot so sončna energija, vetrna energija in geotermalna energija.
Vendar pa je neenakomerna porazdelitev naravnih virov povzročila omejitve pri obsežni uporabi obnovljive energije. Zato je nujno treba razviti idealne tehnologije nosilcev energije, ki lahko enostavno shranijo energijo in se lahko široko uporabljajo pri proizvodnji energije v prometu, industriji, vesolju in stanovanjskih območjih. Zaradi potenciala vodikove tehnologije za doseganje ničelnih emisij ogljika je bila tehnologija proizvodnje vodika v zadnjih nekaj desetletjih široko sprejeta v razvitih državah.
Za doseganje zelenega gospodarstva in ničelnih emisij ogljika velja tehnologija, ki temelji na elektrolizi vode, obetavna rešitev. Vodikov plin je mogoče proizvesti z elektrolizo vode z uporabo enosmernega toka v napravi za elektrolizo, opremljeni s selektivnimi anodami in katodami. Te naprave za elektrolizo imenujemo elektrolizerji. Elektrolizatorji so v glavnem razdeljeni v tri kategorije glede na uporabljene membranske materiale: elektrolizatorji z membrano za izmenjavo protonov (PEM), elektrolizatorji z membrano za izmenjavo anionov (AEM) in elektrolizerji s trdno oksidno membrano (SOEC).
Za razliko od PEM in SOEC AEM uporablja cenejše plošče iz nerjavečega jekla kot bipolarne plošče in uporablja katalizatorje na osnovi prehodnih kovin, zaradi česar je stroškovno učinkovita tehnologija. Vendar pa je še vedno nekaj izzivov pri izboljšanju učinkovitosti AEM, predvsem vključno s stabilnostjo membran in katalizatorjev v zelo alkalnih okoljih.
Membrana za anionsko izmenjavo (AEM) ima ključno vlogo pri prenosu anionov, izolaciji katode in anode ter preprečevanju navzkrižnega plina vodika in kisika za izboljšanje čistosti ustvarjenega plina. Razvoj anionskih izmenjevalnih membran z visoko ionsko prevodnostjo, odličnimi mehanskimi lastnostmi, toplotno stabilnostjo in kemično stabilnostjo bo pripomogel k občutnemu izboljšanju splošne učinkovitosti in življenjske dobe AEMWE, zaradi česar bodo imeli pomembnejšo vlogo pri doseganju trajnostnih energetskih rešitev. vlogo.
Več študij je bilo posvečenih izdelavi anionskih izmenjevalnih membran (AEM) ali kationskih polimernih membran (CPM) 1, 2, ki selektivno omogočajo prehod negativno nabitih hidroksidnih ionov. Na podlagi teh študij lahko AEM razdelimo v dve kategoriji (slika 2): (i) AEM, ki vsebujejo aril etre, in (ii) AEM brez aril etrov.
V AEM na osnovi etra so običajno prisotne skupine, ki odvzemajo elektrone, kot so perfluorirane skupine, sulfonilne skupine in karbonilne skupine. Te skupine zmanjšajo stabilnost etrske vezi in postanejo primarna mesta za nukleofilni napad v alkalnih pogojih, kar povzroči hitro razgradnjo etrske vezi in zmanjšano vzdržljivost AEM.
AEM brez aril etrov vključujejo poliolefine (kot so polifenilen, polietilen in polistiren), poli(aril piperidine) (PAP), poli(benzimidazole) (PBI), poli(fenilen alkil) (PPA) in polimer Trogerjeve baze (TB). na osnovi AEM. Strukturna raznolikost teh polimerov določa končne lastnosti membrane, kot so ionska izmenjevalna zmogljivost (IEC), ionska prevodnost (IC), kapaciteta vnosa vode (WUC) in kemično-termična stabilnost.
Poleg tega igra pomembno vlogo pri pripravi membranskih materialov tudi razpoložljivost sintetičnih poti in reagentov. Na primer, sinteza poliolefinov (PO), polifenilenov (PP) in njihovih kopolimerov s fluoriranimi monomeri običajno zahteva več vmesnih korakov ali poznejših korekcijskih korakov, zaradi česar je skupaj s pomanjkanjem komercialnih reagentov draga in omejuje obsežno proizvodnjo .
Zaradi prisotnosti številnih kondenziranih aromatskih ogljikovodikov v teh polimerih so oblikovane membrane relativno toge in imajo nizke molekulske mase. Zato so tudi sposobnost absorpcije vode, zmogljivost ionske izmenjave in ionska prevodnost teh polimerov nizke, njihova učinkovitost pa omejena. Kar zadeva kemijsko stabilnost, polifenileni (PP) vsebujejo kvarterne amonijeve atome dušika kot stranske verige, poleg atoma dušika pa je le en atom ogljika, zaradi česar so stabilnejši od drugih polimerov v alkalnem okolju. Vendar imajo tisti polimeri z daljšimi ogljikovimi verigami (do 2 do 6 atomov ogljika) slabo kemično stabilnost in niso tako stabilni kot kvarterni amonijev dušik, ki vsebuje en atom ogljika.
Po drugi strani, čeprav imajo polimeri PBI odlične mehanske lastnosti, kemično stabilnost in toplotno stabilnost, se slabo obnesejo v alkalnih medijih zaradi svoje nizke sposobnosti absorpcije vode (WUC) in ionske prevodnosti (IC). Poleg tega so reagenti, uporabljeni pri sintezi PBI, razmeroma dragi, kar prav tako zmanjšuje njegovo selekcijsko prednost pred drugimi polimeri.
Trenutno so AEM na osnovi poli(aril piperidina) (PAP) postali razred polimerov, ki so v zadnjih letih pritegnili veliko pozornosti zaradi široke dostopnosti monomerov, strukturne raznolikosti in spremenljivih fizikalnih lastnosti, doseženih s spreminjanjem monomerov. Ta izdelek je bil množično proizveden in komercialno uporabljen. Ta vrsta membrane AEM je bila preizkušena v poskusih pospešenega staranja in izmerjena je bila kemična življenjska doba več kot deset tisoč ur, ki se še povečuje.
V nasprotju s tem so polimeri TB razred večnamenskih polimerov, za katere je značilna tvorba spojenih struktur skozi atome dušika med dvema aromatskima obročema. Zaradi kombinacije dveh dušikovih atomov nastane praznina ali kanal, ki omogoča prosto gibanje hidroksilnih ionov v njej, s čimer se poveča zmogljivost ionske izmenjave (IEC), ionska prevodnost (IC) in sposobnost absorpcije vode (WUC). Takšni polimeri imajo zaradi spremenjenih mehanskih lastnosti bistveno boljše mehanske lastnosti kot dolgoverižni polimeri. Zaradi pomanjkanja vodikovih atomov v strukturi TB polimera lahko učinkovito prepreči nukleofilne napade, zato je njegova alkalna stabilnost močno izboljšana.
V trenutnem raziskovalnem delu smo uspešno zasnovali polimer TB z lestvičasto strukturo, ki ima bogate ionske kanale, sposobnost absorpcije vode {{0}}%, zmogljivost ionske izmenjave od 1,5 do 2,0 meq /g in ion Prevodnost je 160-170 mS/cm in stabilnost v alkalnem okolju je presegla 1200 ur.