پیش‌نویس:الکترولایزر غشاء تبادل آنیون

الکترولایزر غشاء تبادل آنیون

AEM water electrolysis working principle with HER and OER.

الکترولیز غشای تبادل آنیون (AEM)، الکترولیز آب است که از یک غشای نیمه‌نفوذپذیر استفاده می‌کند که یون‌هیدروکسید (OH^-) را انتقال می‌دهد و به آن غشای تبادل آنیون معروف است. مشابه یک غشای تبادل پروتون (PEM)، این غشا محصولات را جدا می‌کند، عایق الکتریکی بین الکترودها فراهم می‌کند و یون‌ها را هدایت می‌کند. برخلاف PEM، AEM یون‌های هیدروکسید را هدایت می‌کند. مزیت اصلی الکترولیز آب AEM این است که نیازی به کاتالیزور فلزی گران قیمت نیست و می‌توان از کاتالیزور فلزی انتقالی ارزان به جای آن استفاده کرد.الکترولیز AEM شبیه الکترولیز آب قلیایی است، که از یک جداساز غیرانتخابی یون به جای یک غشای تبادل آنیون استفاده می‌کند.

مزایا و چالش‌ها

مزایا

از بین تمام روش‌های الکترولیز آب، الکترولیز غشای تبادل آنیون (AEM) می‌تواند مزایای الکترولیز آب قلیایی (AWE) و الکترولیز غشای تبادل پروتون (PEM) را ترکیب کند.الکترولیز غشای الکترولیتی پلیمری از فلزات گروه پلاتین (PGMs) از جمله پلاتین، ایریدیم، و روتنیم به عنوان کاتالیزور استفاده می‌کند که هزینه‌ی بالایی دارد. به عنوان مثال، ایریدیم نسبت به پلاتین کمتر در دسترس است؛ انتظار می‌رود که یک الکترولایزر PEM با ظرفیت ۱۰۰ مگاوات، حدود ۱۵۰ کیلوگرم ایریدیم نیاز داشته باشد که هزینه آن حدود ۷ میلیون دلار تخمین زده شده است. مانند الکترولیز آب قلیایی، الکترودهای در الکترولیز غشای تبادل آنیون (AEM) در یک محیط قلیایی عمل می‌کنند، که امکان استفاده از کاتالیزورهای غیر ارزشمند و ارزان مبتنی بر فلزاتی مانند نیکل، آهن، کبالت، منگنز، مس و غیره را فراهم می‌کند.

الکترولایزر AEM می‌تواند بر روی آب خالص یا محلول‌هایی با خاصیت قلیایی ضعیف (0.1-1M KOH/NaOH) عمل کند، بر خلاف محلول‌های قلیایی با غلظت بالا (5M KOH/NaOH) در الکترولیز آب قلیایی. این امر باعث کاهش خطر نشتی می‌شود.استفاده از محلول قلیایی، به طور معمول KOH/NaOH، هدایت غشا را افزایش می‌دهد و مسیر هدایت یون‌های هیدروکسید را اضافه می‌کند، که باعث افزایش بهره‌وری از کاتالیزور می‌شود. چگونگی عملکرد الکترولایزر AEM بدون کاتالیزور PGM، در چگالی جریان 1 آمپر بر سانتیمتر مربع، به ترتیب برای تغذیه با آب خالص و محلول 1 مولار KOH به ولتاژ‌های 1.8 و 1.57 گزارش شده است.الکترولیت می‌تواند به هر دو سمت آند و کاتد یا فقط به سمت آند تغذیه شود.

در طراحی با فاصله صفر در الکترولیز آب قلیایی، الکترودها تنها توسط یک دیافراگم از هم جدا می‌شوند که گازها را از یکدیگر جدا می‌کند. دیافراگم فقط اجازه عبور آب و یون‌های هیدروکسید را می‌دهد، اما به طور کامل از عبور گاز جلوگیری نمی‌کند. گاز اکسیژن می‌تواند وارد نیم‌سلول هیدروژن شود و در سمت کاتد واکنش داشته باشد تا آب تشکیل دهد، که باعث کاهش کارایی سلول می‌شود. گذر گاز از سمت تولید هیدروژن به سمت تولید اکسیژن می‌تواند یک خطر ایمنی ایجاد کند، زیرا ممکن است مخلوط گازی قابل انفجار با بیش از 4 درصد حجمی هیدروژن ایجاد کند. گزارش شده است که الکترولایزر AEM در طی 5000 ساعت عملیات، مقدار عبور هیدروژن را کمتر از 0.4 درصد حفظ کرده است.

استفاده از زیرساخت پلیمری آروماتیک در AEM به دلیل کاهش چشمگیر هزینه، امیدوارکننده است. مقایسه با استفاده از غشای Nafion در PEM نشان می‌دهد که تولید Nafion نیازمند مواد شیمیایی بسیار سمی است، که هزینه را افزایش می‌دهد (بیش از ۱۰۰۰ دلار بر متر مربع). و در مرحله تولید تترافلوئورواتیلن، گاز فلوروکربن تولید می‌شود که تأثیر زیست‌محیطی قوی‌ای دارد. استفاده از مواد خام حاوی فلور برای AEM لازم نیست، که این امکان را فراهم می کند تا از مواد پلیمری ارزان تر و متنوع تر استفاده کرد.

چالش‌ها

الکترولیز AEM هنوز در مرحله ابتدایی تحقیق و توسعه قرار دارد، در حالی که الکترولیز آب قلیایی به مرحله رشد رسیده و الکترولیز PEM در مرحله تجاری است. در مقایسه با استفاده از محلول KOH، کمتر مقاله علمی درباره الکترولایزرهای AEM تغذیه شده با آب خالص وجود دارد. چالش فنی اصلی در مواجهه با یک الکترولایزر AEM مخصوص مصرف‌کننده، کم‌دوامی پوشش غشا است، که به عمر محدود دستگاه یا طول عمر آن اشاره دارد. عمر ستون‌های الکترولایزر PEM معمولاً از 20،000 ساعت تا 80،000 ساعت متغیر است. بررسی متون نشان می‌دهد که ماندگاری الکترولایزر AEM برای تغذیه با آب خالص (بیش از ۲۰۰۰ ساعت)، تغذیه با محلول غلیظ KOH (بیش از ۱۲،۰۰۰ ساعت) و تغذیه با ۱ درصد وزنی K2CO3 (بیش از ۷۰۰ ساعت) است.

برای غلبه بر موانع استفاده گسترده از AEM، افزایش هدایت یونی و ماندگاری ضروری است. بسیاری از AEM در دماهای بالاتر از 60 درجه سانتی‌گراد از کار می‌افتند. AEM‌هایی که می‌توانند حضور اکسیژن، pH بالا، و دماهای بیشتر از 60 درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند، لازم است.

علم

واکنش ها

واکنش‌های تولید اکسیژن (Oxygen Evolution Reactions یا به اختصار OER) برای تولید یک مولکول اکسیژن، نیازمند چهار الکترون هستند، مصرف چندین یون OH^- و ایجاد چندین میان‌ واسطه جذب‌شده روی سطح کاتالیزور می‌باشند. این مراحل چندگانه واکنش باعث ایجاد یک باریکه انرژی بالا و بنابراین یک بالابرین اضافی می‌شود که باعث می‌شود فرآیند تولید اکسیژن (OER) کند و آهسته انجام شود. کارایی الکترولایزر AEM به طور گسترده به واکنش تولید اکسیژن (OER) وابسته است. مازاد پتانسیل OER را می توان با یک کاتالیزور کارآمد که پیوند میانی واکنش را می شکند، کاهش داد. سینتیک واکنش تولید هیدروژن (HER) در محلول‌های قلیایی نسبت به محلول‌های اسیدی کندتر است به دلیل جدایش پروتون اضافی و تشکیل میانجی هیدروژن (H*) که در شرایط اسیدی وجود ندارد.

واکنش آند

⁽¹⁾   $OH^{*}$ ${\ce {4OH- -> 3OH- + e- +}}$                                                                                                                             

⁽²⁾ ${\ce {H2O}}$$O^{*}+$${\ce {e- -> 2OH- + e- +}}$ $OH^{*}+3OH^{*}+$                                                                                             

⁽³⁾   ${\ce {H2O}}$$OOH^{*}+$${\ce {H2O + 2OH- + 2e- -> OH- + 3e- +}}$ $O*+$                                                                     

⁽⁴⁾ ${\ce {H2O + OH- + 3e- -> 4e- + 2H2O + O2}}$ $OOH^{*}+$                                                                                      

در اینجا علامت * نشان دهنده گونه‌های جذب شده به سطح کاتالیزور است.

واکنش کاتد

واکنش با جذب و تفکیک آب در مرحله Volmer آغاز می‌شود و سپس یا بازگشت هیدروژن در مرحله Tafel یا مرحله Heyrovsky رخ می‌دهد.

مرحله Volmer:

(5)  ${\ce {2OH-}}$ $2H^{*}+$${\ce {2H2O + 2e- ->}}$                                                                                            

مرحله Tofel:

(6)   ${\ce {-> H2}}$$2H^{*}$                                                                                                                          

مرحله Heyrovsky:

(7)   ${\ce {e- -> H2 + OH-}}$ $H^{*}+$${\ce {H2O +}}$                                                                                              

غشای تبادل آنیون

اطلاعات بیشتر: غشای تبادل آنیون

یون هیدروکسید به طور ذاتی حرکت پایین‌تری نسبت به H⁺ دارد، افزایش ظرفیت تبادل یونی می‌تواند جابجایی کمتر این یون را جبران کند، اما همچنین ممکن است باعث افزایش تورم و کاهش استحکام مکانیکی غشا شود. ترکیب غشاها می‌تواند برای جبران ناپایداری مکانیکی غشاها مفید باشد. گروه سر ماده یونی کاتیونی (QA) به طور معمول برای اتصال ماتریس‌های پلیمری در غشاهای تبادل آنیون مورد استفاده قرار می‌گیرد. گروه سر اجازه می‌دهد که آنیون‌ها اما کاتیون‌ها به حمل برسند. غشاهای QA AEM دارای پایداری شیمیایی پایین هستند زیرا به حمله OH- حساس هستند. کاندیدهای گروه سر موفق شامل گروه‌های سری بر پایه ایمیدازولیم و گروه‌های سر بدون نیتروژن مانند فسفونیوم، سولفونیوم و کمپلکس‌های فلزی لیگاند می‌باشند. بیشتر گروه‌های QA و گروه‌های ایمیدازولیوم در محیط‌های قلیایی توسط تجزیه هوفمن، واکنش S_N2 یا باز شدن حلقه‌ای خراب می‌شوند، به خصوص در دماهای بالا و pHهای بالا.

اسکلت‌ های پلیمری غشاهای تبادل آنیون بدون کاتیون می‌باشند. اسکلت ‌های مبتنی بر پلی (آریلن اتر)، اسکلت‌های مبتنی بر پلی‌اولفین، اسکلت‌های مبتنی بر پلی‌فنیلن، و اسکلت‌های حاوی مواد کاتیونی نمونه‌هایی از آن‌ ها هستند.

بعضی از بهترین غشاهای تبادل آنیون شامل HTMA-DAPP، QPC-TMA، m-PBI و PFTP هستند.

تجهیزات غشای الکترود

یک مجموعه غشایی الکترود (MEA) از یک لایه کاتالیست آند و کاتد با یک لایه غشا در میان تشکیل شده است. لایه کاتالیست می‌تواند بر روی غشا یا زیرکاتالیزر سپرده شود. دو رویکرد برای آماده‌سازی MEA شامل زیرکاتالیزر پوشش‌دار (CCS) و غشای پوشش‌دار کاتالیست (CCM) هستند. یک زیرکاتالیزر باید الکتریسیته را هدایت کند، کاتالیست را به طور مکانیکی پشتیبانی کند و محصولات گازی را حذف کند.

نیکل به طور معمول به عنوان زیرکاتالیزر برای AEM استفاده می‌شود، در حالی که تیتانیوم برای PEM استفاده می‌شود؛ هر دو نیکل و تیتانیوم می‌توانند بر روی AEM استفاده شوند. مواد کربنی برای سمت آند مناسب نیستند به دلیل تجزیه شدن آن‌ها توسط یون‌های OH-، که هستند نوکلئوفیل ها.[11] در سمت کاتد، نیکل، تیتانیوم و کربن می‌توانند به راحتی استفاده شوند. لایه کاتالیست معمولاً با ترکیب پودر کاتالیست و آیونومر به منظور تولید جوهر یا لجن تهیه می‌شود که با پاشش یا نقاشی به آن پوشانده می‌شود. روش‌های دیگر شامل الکترودپوشانی، روش‌های اسپاترینگ مغناطیسی، روش‌های نیکل‌کاری شیمیایی بدون الکترولیز و چاپ صفحه‌ای بر روی زیرکاتالیزر هستند. مواد یونیزه به عنوان چسب برای کاتالیست، حمایت از زیرساخت، و غشا عمل می‌کنند، که همچنین یون‌های OH^- را هدایت می‌کنند و فعالیت‌های الکتروکاتالیتیک را افزایش می‌دهند.

منابع

1.      Varcoe, John R.; Atanassov, Plamen; Dekel, Dario R.; Herring, Andrew M.; Hickner, Michael A.; Kohl, Paul. A.; Kucernak, Anthony R.; Mustain, William E.; Nijmeijer, Kitty; Scott, Keith; Xu, Tongwen; Zhuang, Lin (2014). "Anion-exchange membranes in electrochemical energy systems". Energy Environ. Sci. 7 (10): 3135–3191. doi:10.1039/C4EE01303D. hdl:10044/1/24509.

2.     ^ Jump up to:^{a b} Dekel, Dario R. (January 2018). "Review of cell performance in anion exchange membrane fuel cells". Journal of Power Sources. 375: 158–169. Bibcode:2018JPS...375..158D. doi:10.1016/j.jpowsour.2017.07.117.

3. G. W. Crabtree and M. S. Dresselhaus, MRS Bull .33 (2088) 421

4. J. Tollefson, Nature 464 (2010) 1262.

5. Henkensmeier, Dirk; Najibah, Malikah; Harms, Corinna; Žitka, Jan; Hnát, Jaromír; Bouzek, Karel (1 May 2021). "Overview: State-of-the Art Commercial Membranes for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis". Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage. 18 (2). doi:10.1115/1.4047963

رده:مقاله‌های ایجاد شده توسط ایجادگر رده:برق‌کافت رده:سلول‌های الکترولیتی رده:اقتصاد هیدروژن رده:فراوری هیدروژن