يُعد غشاء التبادل الأنيوني (AEM) إلى حد ما مزيجًا بين غشاء تبادل البروتونات (PEM) والتحليل الكهربائي التقليدي القائم على الحجاب الحاجز. يوضح الشكل 3 مبدأ عمل خلية التحليل الكهربائي AEM. عند المهبط، يُختزل الماء لإنتاج الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد (OH⁻). تتدفق أيونات الهيدروكسيد عبر الحجاب الحاجز إلى المصعد، حيث تتحد مرة أخرى لإنتاج الأكسجين.
درس لي وآخرون [1-2] خلية تحليل كهربائي عالية الأداء للماء باستخدام غشاء تبادل الأنيونات (AEM) مصنوع من البوليسترين والبوليفينيلين عاليي التأين الرباعي، وأظهرت النتائج أن كثافة التيار بلغت 2.7 أمبير/سم² عند 85 درجة مئوية وجهد 1.8 فولت. عند استخدام NiFe وPtRu/C كمحفزات لإنتاج الهيدروجين، انخفضت كثافة التيار بشكل ملحوظ إلى 906 مللي أمبير/سم². درس تشين وآخرون [5] تطبيق محفز إلكتروليتي عالي الكفاءة من معادن غير نبيلة في خلية تحليل كهربائي ذات غشاء بوليمر قلوي. تم اختزال أكاسيد NiMo بواسطة غازات H₂/NH₃ وNH₃ وH₂ وN₂ عند درجات حرارة مختلفة لتصنيع محفزات إنتاج الهيدروجين الإلكتروليتي. تُظهر النتائج أن محفز NiMo-NH3/H2 بتقنية اختزال H2/NH3 يتمتع بأفضل أداء، حيث تصل كثافة التيار إلى 1.0 أمبير/سم² وكفاءة تحويل الطاقة إلى 75% عند 1.57 فولت و80 درجة مئوية. وقد طورت شركة إيفونيك للصناعات، بالاعتماد على تقنية أغشية فصل الغازات الحالية لديها، مادة بوليمرية حاصلة على براءة اختراع لاستخدامها في خلايا التحليل الكهربائي ذات غشاء التبادل الأنيوني (AEM)، وتعمل حاليًا على توسيع إنتاج الأغشية على خط تجريبي. وتتمثل الخطوة التالية في التحقق من موثوقية النظام وتحسين مواصفات البطارية، بالتزامن مع زيادة الإنتاج.
تتمثل التحديات الرئيسية التي تواجه خلايا التحليل الكهربائي ذات غشاء التبادل الأنيوني (AEM) حاليًا في ضعف موصليتها ومقاومتها للقلويات، بالإضافة إلى ارتفاع تكلفة تصنيعها نتيجة استخدام المحفزات الكهربائية المصنوعة من المعادن النفيسة. في الوقت نفسه، يؤدي دخول ثاني أكسيد الكربون إلى غشاء الخلية إلى تقليل مقاومته ومقاومة الأقطاب، مما يُضعف أداء التحليل الكهربائي. وتتلخص اتجاهات التطوير المستقبلية لخلايا التحليل الكهربائي ذات غشاء التبادل الأنيوني فيما يلي: 1. تطوير غشاء تبادل أنيوني يتميز بموصلية عالية، وانتقائية أيونية عالية، وثبات طويل الأمد في الوسط القلوي. 2. التغلب على مشكلة ارتفاع تكلفة المحفزات المعدنية النفيسة، وتطوير محفزات عالية الأداء وخالية من المعادن النفيسة. 3. تبلغ التكلفة المستهدفة حاليًا لخلايا التحليل الكهربائي ذات غشاء التبادل الأنيوني 20 دولارًا أمريكيًا/م²، ويجب خفضها من خلال استخدام مواد خام رخيصة وتقليل خطوات التصنيع، وذلك لتقليل التكلفة الإجمالية للخلايا. 4. تقليل محتوى ثاني أكسيد الكربون في خلية التحليل الكهربائي وتحسين أدائها.
[1] Liu L,Kohl P A. Anion conducted multiblock copolymers with different tethered cations[J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 — 1403.
[2] لي د، بارك إي جيه، تشو دبليو، وآخرون. بوليمرات أيونية من البوليسترين عالية الرباعية لأغشية تبادل الأنيونات عالية الأداء في أجهزة التحليل الكهربائي للماء [J]. نيتشر إنرجي، 2020، 5: 378-385.
تاريخ النشر: 2 فبراير 2023