Enerji krizi ulusal ekonomik kalkınmanın önündeki en büyük zorluklardan biridir. Geçen yüzyıldan bu yana çoğu endüstri ve ulaşım sektörü, sera gazı emisyonlarının ana kaynağı olan ana enerji kaynağı olarak fosil yakıtlara güveniyor. Fosil yakıtların kullanımının yerini alması ve sıfır karbon emisyon stratejilerinin hayata geçirilmesini teşvik etmek için güneş enerjisi, rüzgar enerjisi ve jeotermal enerji gibi yenilenebilir enerji teknolojilerinin geliştirilmesi gerekmektedir.
Ancak doğal kaynakların eşit olmayan dağılımı, yenilenebilir enerjinin büyük ölçekli kullanımında sınırlamalara yol açmıştır. Bu nedenle, enerjiyi kolaylıkla depolayabilen ve ulaşım, sanayi, uzay ve yerleşim alanlarında enerji üretiminde yaygın olarak kullanılabilecek ideal enerji taşıyıcı teknolojilerin geliştirilmesi acildir. Hidrojen teknolojisinin sıfır karbon emisyonuna ulaşma potansiyeli nedeniyle, hidrojen üretim teknolojisi son birkaç on yılda gelişmiş ülkelerde yaygın olarak benimsenmiştir.
Yeşil bir ekonomiye ve sıfır karbon emisyonuna ulaşmak için su elektrolizine dayalı teknoloji umut verici bir çözüm olarak değerlendiriliyor. Hidrojen gazı, seçici anot ve katotlarla donatılmış bir elektroliz cihazında doğru akım uygulanarak suyun elektrolizi yoluyla üretilebilir. Bu elektroliz cihazlarına elektrolizör denir. Elektrolizörler, kullanılan membran malzemelerine bağlı olarak esas olarak üç kategoriye ayrılır: proton değişim membranlı elektrolizörler (PEM), anyon değişim membranlı elektrolizörler (AEM) ve katı oksit membran elektrolizörler (SOEC).
PEM ve SOEC'den farklı olarak AEM, bipolar plakalar olarak daha düşük maliyetli paslanmaz çelik plakalar kullanır ve geçiş metali bazlı katalizörler kullanır, bu da onu uygun maliyetli bir teknoloji haline getirir. Bununla birlikte, AEM performansının iyileştirilmesinde, özellikle membranların ve katalizörlerin yüksek alkali ortamlardaki stabilitesi dahil olmak üzere hala bazı zorluklar vardır.
Anyon değiştirme membranı (AEM), anyon iletiminde, katot ve anotun izolasyonunda ve üretilen gazın saflığını iyileştirmek için hidrojen ve oksijen çapraz gazının önlenmesinde önemli bir rol oynar. Yüksek iyon iletkenliğine, mükemmel mekanik özelliklere, termal stabiliteye ve kimyasal stabiliteye sahip anyon değişim membranlarının geliştirilmesi, AEMWE'lerin genel performansını ve ömrünü önemli ölçüde artırmaya yardımcı olacak ve sürdürülebilir enerji çözümlerine ulaşmada daha önemli bir rol oynamalarını sağlayacaktır. Rol.
Negatif yüklü hidroksit iyonlarının geçişine seçici olarak izin veren anyon değişim membranlarının (AEM'ler) veya katyonik polimer membranların (CPM'ler) 1, 2 imalatına yönelik çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalara dayanarak AEM'ler iki kategoriye ayrılabilir (Şekil 2): (i) aril eter içeren AEM'ler ve (ii) aril eter içermeyen AEM'ler.
Eter bazlı AEM'lerde perflorlu gruplar, sülfonil grupları ve karbonil grupları gibi elektron çekici gruplar genellikle mevcuttur. Bu gruplar eter bağının stabilitesini azaltır ve alkali koşullar altında nükleofilik saldırı için birincil bölgeler haline gelir, bu da eter bağının hızlı bir şekilde bozulmasına ve AEM'nin dayanıklılığının azalmasına neden olur.
Aril eter içermeyen AEM'ler arasında poliolefinler (polifenilen, polietilen ve polistiren gibi), poli(aril piperidinler) (PAP'ler), poli(benzimidazoller) (PBI'ler), poli(fenilen alkil) (PPA) ve Troger bazı (TB) polimeri bulunur tabanlı AEM'ler. Bu polimerlerin yapısal çeşitliliği, iyon değişim kapasitesi (IEC), iyonik iletkenlik (IC), su alım kapasitesi (WUC) ve kimyasal-termal stabilite gibi nihai membran özelliklerini belirler.
Ayrıca sentetik yolların ve reaktiflerin mevcudiyeti de membran malzemelerinin hazırlanmasında önemli bir rol oynamaktadır. Örneğin, poliolefinlerin (PO'lar), polifenilenlerin (PP'ler) ve bunların florlu monomerlerle kopolimerlerinin sentezi genellikle çok sayıda ara adım veya sonraki düzeltme adımları gerektirir; bu, ticari reaktiflerin kıtlığıyla birleştiğinde, bunları maliyetli hale getirir ve büyük ölçekli üretimi sınırlar. .
Bu polimerlerde çok sayıda yoğunlaştırılmış aromatik hidrokarbonun bulunması nedeniyle oluşan membranlar nispeten serttir ve düşük moleküler ağırlığa sahiptir. Dolayısıyla bu polimerlerin su emme kapasitesi, iyon değiştirme kapasitesi ve iyon iletkenliği de düşük olup performansları sınırlıdır. Kimyasal stabilite açısından polifenilenler (PP'ler), yan zincirler olarak kuaterner amonyum nitrojen atomları içerir ve nitrojen atomunun yanında yalnızca bir karbon atomu bulunur, bu da onları alkali ortamlarda diğer polimerlere göre daha stabil hale getirir. Bununla birlikte, daha uzun karbon zincirlerine (2 ila 6 karbon atomuna kadar) sahip polimerler zayıf kimyasal stabiliteye sahiptir ve tek bir karbon atomu içeren dördüncül amonyum nitrojen kadar stabil değildir.
Öte yandan, PBI polimerleri mükemmel mekanik özelliklere, kimyasal stabiliteye ve termal stabiliteye sahip olmalarına rağmen, düşük su emme kapasiteleri (WUC) ve iyonik iletkenlikleri (IC) nedeniyle alkali ortamda zayıf performans gösterirler. Ayrıca PBI sentezinde kullanılan reaktifler nispeten pahalıdır ve bu da diğer polimerlere göre seçim avantajını azaltır.
Şu anda, poli(aril piperidin) (PAP'ler) bazlı AEM'ler, monomerlerin geniş bulunabilirliği, yapısal çeşitlilik ve monomerlerin değiştirilmesiyle elde edilen değişken fiziksel özellikler nedeniyle son yıllarda büyük ilgi gören bir polimer sınıfı haline gelmiştir. Bu ürün seri olarak üretildi ve ticari olarak uygulandı. Bu tip AEM membran, hızlandırılmış eskitme deneylerinde test edilmiş ve on binlerce saatten fazla kimyasal ömrü ölçülmüştür ve hala artmaktadır.
Buna karşılık TB polimerleri, iki aromatik halka arasındaki nitrojen atomları aracılığıyla kaynaşmış yapıların oluşmasıyla karakterize edilen çok işlevli bir polimer sınıfıdır. İki nitrojen atomunun birleşimi nedeniyle, hidroksil iyonlarının içinde serbestçe hareket etmesine izin veren bir boşluk veya kanal oluşturulur, böylece iyon değiştirme kapasitesi (IEC), iyon iletkenliği (IC) ve su emme kapasitesi (WUC) artar. Bu tür polimerler, değiştirilmiş mekanik özellikler sayesinde uzun zincirli polimerlere göre önemli ölçüde daha iyi mekanik özelliklere sahiptir. TB polimer yapısında -hidrojen atomlarının bulunmaması nedeniyle, nükleofilik saldırıları etkili bir şekilde önleyebilir, böylece alkalin stabilitesi büyük ölçüde iyileştirilir.
Mevcut araştırma çalışmasında, bol iyon kanallarına, %{{0}} su emme kapasitesine ve 1,5 ila 2,0 meq iyon değiştirme kapasitesine sahip, merdiven yapısı oryantasyonuna sahip bir TB polimerini başarıyla tasarladık. /g ve bir iyon İletkenlik 160-170 mS/cm'dir ve alkali ortamda stabilitesi 1200 saati aşmıştır.