性能最好的二茂铁材料的合成路线。鸣谢:刘等。阴离子交换膜(AEMs)是半透性燃料电池组件，可以传导阴离子，但拒绝阳离子和气体。这使得可能发生化学反应的物质相互分离，从而使电池正常工作。中国天津大学的一个研究小组最近开发了基于一种新设计的二茂铁材料的新型AEM s。他们的薄膜发表在《自然能源》杂志上的一篇论文中，被发现在功率输出、耐用性和欧姆电阻方面取得了非常有前途的结果。
“由于我们研究中开发的定向混合价二茂铁材料对AEM领域来说是全新的，我们在前进的道路上遇到了许多困难和挫折，”进行这项研究的研究人员之一迈克尔·d·吉弗(Michael D. Guiver)告诉TechXplore。“我们花了很长的研究时间和很大的努力，从实验和理论两方面来实现这些良好的结果。从最初的构思到最终的出版，整个过程错综复杂，但幸运的是成功了。”
Guiver和他的同事最近的研究建立在他们之前的两项工作基础上，他们引入了新的质子交换膜材料，这些材料具有磁响应性和导电能力。他们之前研究的最终目标是在磁场下定向导电通道结构，这反过来将排列策略扩展到AEMs领域。
“虽然它建立在我们过去的努力之上，但我们的研究也是一项独立的开创性工作，因为它在不同的领域采用了不同的材料系统，”吉弗说。“我们的主要目标是在AEMs中构建贯穿平面的高导电通道，以促进阴离子传输，因为导电通道更加对齐和直接，同时在燃料电池应用中实现强大的膜耐久性。我们很高兴两者都能实现。”
为了确保他们开发的聚合物是一种有效的AEM，并且可以受到磁场的影响，研究人员最初开始寻找一种含铁的材料系统，即二茂铁。一些过去的研究已经探索了类似的材料(即金属茂)，例如二茂钴，并且发现基于这些材料的AEMs实现了良好的稳定性和高导电性。然而，过去的发现发现金属茂不能在磁场下排列，因为它们不是顺磁性的。
“另一种可能性是使用二茂铁，当制成聚合物并被氧化时，它可能是顺磁性的，也带有作为AEM所需的正电荷，”吉弗解释说。“然而，在燃料电池膜中使用铁分子已经在很大程度上被避免了，因为在某些形式下，它们会加速降解。”
在他们之前的工作中，Guiver和他的同事已经将亚铁氰化物引入质子交换膜。当他们这样做时，他们发现一些含铁的材料可以提高燃料电池的稳定性。受这些结果的启发，他们现在决定探索使用含有二茂铁的聚合物作为AEMs的潜力，这种潜力迄今为止从未被评估过。
第二张图显示了在磁场下的膜铸体的穿过平面取向的结构，与没有磁场的膜铸体的各向同性结构相比较。致谢:刘等。“我们的研究集中于AEMs的高性能和坚固耐用，”吉弗说。“在磁场下浇铸的兼具磁响应性和导电能力的二茂铁材料实现了导电通道排列，磁场诱导的二茂铁-二茂铁混合价态导致了非常好的耐久性。”
Guiver和他的同事推出的基于二茂铁的新型AEMs具有磁场导向和导电结构。此外，它们具有强大的耐用性，在500mA cm2、120°C和40%相对湿度下，500 h的电压损耗为3.9%，高频电阻增加2.2%。
“对于阴离子传输，大多数阴离子交换膜表现出各向同性的导电性(即，在平面内和穿过平面的方向上具有相同的导电性)，”吉弗说。“理想情况下，由于阴离子在电极之间穿过膜(即穿过平面的方向)传输，更短、更直接的通道应该是使电池性能良好的一大优势。”
为了提高膜的耐久性，传统的AEM通常包括带正电荷的含氮材料。虽然这些材料的使用可以有效地使电池更加耐用，但是由于引起电池退化的化学反应，它们经常导致稳定性问题。由于Guiver和他的同事创造的膜结合了穿过平面定向的导电结构和基于二茂铁的替代阴离子导体，它们可以帮助克服传统AEMs的这些关键缺点。
“我们是第一个使用二茂铁阳离子，允许通过平面定向导电结构和混合价态，提供非凡的耐用性，”吉弗解释说。这些发现可以归结为以下结果:在穿过平面的方向上的高膜氢氧化物电导率；在4320小时(180天)的碱稳定性试验期间没有明显的电导率损失；电导率和稳定性同时提高；最低薄膜厚度-标准化高频电阻；以及在120℃和40%相对湿度下的操作和相当大的耐久性
在未来，这组研究人员推出的AEMs可以用于开发稳定、耐用、高性能的燃料电池，可以在高温下长时间运行。Guiver和他的同事收集的初步结果表明，他们的膜可以促进电极上的反应动力学，以及CO引起的催化剂中毒的迁移和通过高温解吸/吹扫从CO2进行的膜碳酸化。此外，它们还有助于简化电池冷却和加湿系统。
Guiver补充说:“我们的膜还可以帮助减轻阳极中的水淹，提高水通过膜的扩散性，以克服水管理问题，并提高电池堆和冷却剂之间温差增加导致的废热效率。”“我们现在正在开发具有外场响应性和传导能力的替代材料系统。我们的目标是在较弱的磁场下实现更强的定向，这将降低成本并允许商业规模。”
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