美國Versogen 陰離子交換膜AEM-電化學(xué)耗材

美國Versogen是陰離子交換膜(Anion Exchange Membrane)和AEM水電解電堆研發(fā)與制造公司。公司位于美國特拉華州威名頓市，坐落于環(huán)境優(yōu)美的杜邦實驗科學(xué)站。杜邦實驗科學(xué)站設(shè)施完備，專家齊全，是眾多傳奇*材料的搖籃、化工科研者的圣地，為Versogen的成長與發(fā)展夯實了基礎(chǔ)。

Versogen 公司的核心產(chǎn)品是 PiperION 陰離子交換膜，目前已廣泛應(yīng)用于 AEM水電解制氫、氫燃料電池、二氧化碳還原等。作為電化學(xué)反應(yīng)中的固態(tài)電解質(zhì)和隔離膜，PiperION 陰離子交換膜能選擇性的透過陰離子，并阻隔陽離子、電子以及氣體的穿透。具有離子傳導(dǎo)率高(150 mS/cm, OH-, 80℃)，堿穩(wěn)定性高(8000+ h, 1 M KOH, 80℃)和機械強度高 (67 MPa stress, 117% strain)的特點。

美國Versogen 陰離子交換膜AEM-電化學(xué)耗材 

Versogen 自支撐陰離子膜（VersogenSelf-SupportingAEMs）目前有 15μm、20μm、32μm、 40μm、60μm、80μm 六種厚度。

1.1 PiperION-A80-HCO3陰離子膜

一款基于聚芳環(huán)哌啶(PAP, PolyArylPiperidinium)的有機高分子膜，結(jié)合了高強度的芳環(huán)主鏈與耐強堿的二甲基哌啶離子官能團，是專門為水電解制氫應(yīng)用開發(fā)的80μm高強度自支撐陰離子交換膜。更高的厚度能在不犧牲電化學(xué)性能的前提下(1.8V@1.9A/cm², 1 MKOH, 80℃)，實現(xiàn)直接生產(chǎn)高純高壓氫氣(99.9995%, 30bar)，并且具有極低的氫氣滲透率 (1×10-13mol/(KPa·s·cm),為Nafion質(zhì)子交換膜的50%)，安全可靠。

1.2 PiperION-A40-HCO3陰離子膜

一款自支撐陰離子交換膜因其出眾的離子傳導(dǎo)率和強韌的機械性能，廣泛應(yīng)用于二氧化碳還原等電化學(xué)電解槽中。40μm的厚度能從容應(yīng)對電解槽中表面粗糙的金屬氣體擴散電極(GDE, GasDiffusionElectrode)，超高的離子傳導(dǎo)率保證了電解槽效率不減，穩(wěn)定的機械強度可以輕松適應(yīng)自動化裝配。

1.3 PiperION-A20-HCO3陰離子膜

一款自支撐陰離子交換膜，較之于目前市場上其他陰離子交換膜，因其超薄的厚度(20μm)以及碳酸氫根陰離子形式，能直接應(yīng)用于AEM氫燃料電池中，無需繁雜的堿處理操作，可以有效地簡化電堆的組裝工藝，為氫燃料電池提供持久強勁的電力。

1.4 Versogen復(fù)合陰離子膜

Versogen復(fù)合陰離子膜（AEMs），是由功能化聚芳基哌啶樹脂材料和微孔ePTFE載體制成的。微孔ePTFE顯著提高了陰離子膜的機械穩(wěn)定性。由于膜的一部分是惰性的，沒有功能化樹脂材料，因此復(fù)合膜的離子導(dǎo)電性通常比具有相同厚度的自支撐膜要低，機械增強膜也稱為增強復(fù)合膜，是加壓應(yīng)用的理想選擇。

1.5 PiperION-A15R-HCO3陰離子膜

這款復(fù)合陰離子交換膜在超薄自支撐膜的基礎(chǔ)上加入高度穩(wěn)定的微孔ePTFE載體，進一步降低膜的厚度到15μm。復(fù)合膜具有更低的面積電阻率和更高的形變穩(wěn)定性，在環(huán)境濕度變化時能保持更高的平整性，適用于追求高性能AEM燃料電池的應(yīng)用以及自動化生產(chǎn)線。

膜的運輸和處理

1.1 膜的運輸

離子膜附著在剛性基板載體上，薄膜卷用塑料包裹著，拆卸外部塑料時，確保不要刺穿剛性基板。膜是干燥的，以碳酸氫鹽的形式運輸和儲存，薄膜上有一個具有厚度、尺寸和樣品ID的標(biāo)簽。

1.2  膜的處理

膜以干燥的碳酸氫鹽的形式運輸：未使用時，將膜保持在提供的包裝內(nèi)。打開膜后僅供直接使用。暴露在空氣中會導(dǎo)致膜吸水，從而導(dǎo)致膜起皺和膨脹。在干凈、無塵的區(qū)域存放、搬運和處理該膜，觸摸時必須佩戴手套，因為皮膚上的鹽會將不需要的陰離子（如Cl^-）污染離子膜，若要使用該離子膜，請取下蓋板。然后，將薄膜和背板一起切割到所需的尺寸，小心地從背襯板上抽出膜。更換剩余隔膜上的蓋板。

要從背板上去除膜，請參考下圖中所述的步驟。如果使用標(biāo)準程序去除膜有困難，請用去離子水弄濕紙巾并擦拭膜。膜會輕微褶皺，從背板分離。由于此程序會導(dǎo)致膜內(nèi)起皺，因此只有在難以按照標(biāo)準步驟剝離背板上的膜時才能使用。

請務(wù)必小心處理，避免折疊或覆蓋膜導(dǎo)致離子膜破裂！！！

膜的預(yù)處理

如果可以，使用前將膜在環(huán)境條件下放置1小時，去除蓋板。對于氫氧化物交換膜燃料電池/電解應(yīng)用，膜應(yīng)從碳酸氫鹽形式轉(zhuǎn)化為OH^-型，以獲得最佳的電導(dǎo)率。

要將膜轉(zhuǎn)化為OH^-型，請將膜置于 0.5M 氫氧化鈉或氫氧化鉀的水溶液中，在室溫下放置1小時。1小時后，用新鮮的0.5M氫氧化鈉或氫氧化鉀更換溶液，并使膜在室溫下再次浸泡1小時。兩次浸泡后，用去離子水沖洗濾膜（pH～7）。盡量減少暴露在環(huán)境空氣中，因為膜可以吸收CO₂，導(dǎo)致膜轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽形式。

如果不允許將膜浸入水基中，可以通過緩慢增加通過膜的電流，將所有碳酸氫鹽轉(zhuǎn)化為氫氧化物。在轉(zhuǎn)化期間，電導(dǎo)率的增加是膜中的氫氧化氫取代碳酸氫鹽的指標(biāo),為了獲得最佳性能，建議采用基礎(chǔ)浸入式和磨合程序。

注意：避免OH^-型的膜干燥。干燥條件下的長期儲存應(yīng)采用碳酸氫鹽形式。

應(yīng)用實例

1.1 AEM水電解

ACS Catal.:Water-FedHydroxideExchangeMembraneElectrolyzerEnabledbya Fluoride-Incorporated Nickel–Iron Oxyhydroxide Oxygen Evolution Electrode

doi.org/10.1021/acscatal.0c04200

結(jié)合Versogen的新型鎳-鐵陰極催化劑與PiperION陰離子膜，實現(xiàn)純水高效電解制氫達到單電池1020 mAcm^-2電密與1.8V電壓。為低成本規(guī)模生產(chǎn)綠氫打下科研基礎(chǔ)。

ACS Appl.Mater.Interfaces:PerformanceandDurabilityofPure-Water-FedAnion Exchange Membrane Electrolyzers Using Baseline Materials and Operation

doi.org/10.1021/acsami.1c06053

基于全商用材料的純水水電解制氫對比研究，PiperION陰離子交換膜實現(xiàn)單電池1Acm^-2電密與 1.9 V 電壓，在性能與穩(wěn)定性上都超過對比的商用陰離子交換膜。

1.2 燃料電池

Nat. Energy: Poly(aryl piperidinium) membranes and ionomers for hydroxide exchange membrane fuel cells

doi.org/10.1038/s41560-019-0372-8

新型 PiperION 陰離子交換膜及交換樹脂報道于 NatureEnergy 雜志并獲得美國U.Spatent 10,290,890。在使用低鉑載量陰極催化劑，銀納米陽極催化劑和氫/空條件下實現(xiàn) 920 mW cm^-2的功率密度。

J. Electrochem. Soc.: High-Performance Hydroxide Exchange Membrane Fuel Cells through Optimization of Relative Humidity,Backpressure and Catalyst Selection

doi.org/10.1149/2.0361907jes

基于 PiperION陰離子交換膜的氫燃料電池實現(xiàn) 1.89 Wcm^-2 的氫/氧最高功率密度和 1.31 W cm^-2的氫/空最高功率密度。

J. Electrochem. Soc.: Improving Performance and Durability of Low Temperature Direct Ammonia Fuel Cells: Effect of Back pressure and Oxygen Reduction Catalysts

doi.org/10.1149/1945-7111/abdcca

通過優(yōu)化背壓與陽極催化劑，基于PiperION 陰離子交換膜的直接氨氧燃料電池創(chuàng)造了 390 mW cm^-2功率密度的高性能記錄。

1.3 CO₂還原 CO2RR

Energy Environ. Sci.: High carbonate ion conductance of a robust PiperION membrane allows industrial current density and conversion in a zero-gap carbon dioxide electrolyzer cell

doi.org/10.1039/d0ee02589e

基于PiperION陰離子交換膜的零間隙CO₂電解還原電池，得益于PiperION的高離子傳導(dǎo)率，實現(xiàn)高性能(j＞1A/cm²)，高轉(zhuǎn)化率(45%)與高選擇性(90%)的CO還原生成CO。為CO₂其工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，變廢為寶。

Nat.Energy:Operandocathodeactivationwithalkalimetalcationsforhigh current density operation of water-fed zero-gap carbon dioxide electrolysers

doi.org/10.1038/s41560-021-00813-w

大尺寸的CO₂電解還原電池(活性面積=100cm²)機理與穩(wěn)定性研究，PiperION陰離子交換膜表現(xiàn)出遠超對手的高性能與高穩(wěn)定性，具有商業(yè)化應(yīng)用前景。

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