A membrana de troca aniônica (AEM) é, em certa medida, um híbrido entre a membrana de troca de prótons (PEM) e a eletrólise tradicional com diafragma. O princípio da célula eletrolítica AEM é mostrado na Figura 3. No cátodo, a água é reduzida para produzir hidrogênio e íons OH⁻. Os íons OH⁻ fluem através do diafragma para o ânodo, onde se recombinam para produzir oxigênio.
Li et al. [1-2] estudaram um eletrolisador de água de alto desempenho com membrana de troca aniônica (AEM) de poliestireno e polifenileno altamente quaternizados, e os resultados mostraram que a densidade de corrente foi de 2,7 A/cm² a 85 °C e uma tensão de 1,8 V. Ao usar NiFe e PtRu/C como catalisadores para a produção de hidrogênio, a densidade de corrente diminuiu significativamente para 906 mA/cm². Chen et al. [5] estudaram a aplicação de um catalisador eletrolítico de metal não nobre de alta eficiência em um eletrolisador de filme polimérico alcalino. Óxidos de NiMo foram reduzidos por gases H₂/NH₃, NH₃, H₂ e N₂ em diferentes temperaturas para sintetizar catalisadores para a produção eletrolítica de hidrogênio. Os resultados mostram que o catalisador NiMo-NH₃/H₂ com redução por H₂/NH₃ apresentou o melhor desempenho, com densidade de corrente de até 1,0 A/cm² e eficiência de conversão de energia de 75% a 1,57 V e 80 °C. A Evonik Industries, com base em sua tecnologia existente de membranas de separação de gases, desenvolveu um material polimérico patenteado para uso em células eletrolíticas AEM e está atualmente expandindo a produção de membranas em uma linha piloto. O próximo passo é verificar a confiabilidade do sistema e aprimorar as especificações da bateria, enquanto se aumenta a escala de produção.
Atualmente, os principais desafios enfrentados pelas células eletrolíticas AEM são a baixa condutividade e resistência alcalina da membrana, além do aumento do custo de fabricação dos dispositivos eletrolíticos devido ao uso de eletrocatalisadores de metais preciosos. Ao mesmo tempo, a entrada de CO₂ no filme da célula reduz a resistência do filme e a resistência do eletrodo, diminuindo, assim, o desempenho eletrolítico. As futuras direções de desenvolvimento dos eletrolisadores AEM são as seguintes: 1. Desenvolver membranas AEM com alta condutividade, seletividade iônica e estabilidade alcalina a longo prazo. 2. Superar o problema do alto custo dos catalisadores de metais preciosos, desenvolvendo catalisadores sem metais preciosos e de alto desempenho. 3. Atualmente, o custo-alvo para eletrolisadores AEM é de US$ 20/m², valor que precisa ser reduzido por meio da utilização de matérias-primas mais baratas e da redução das etapas de síntese, visando diminuir o custo total do eletrolisador AEM. 4. Reduzir o teor de CO₂ na célula eletrolítica e melhorar o desempenho eletrolítico.
[1] Liu L, Kohl P A. Copolímeros multibloco condutores de ânions com diferentes cátions ligados [J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 — 1403.
[2] Li D, Park EJ, Zhu W, et al. Ionômeros de poliestireno altamente quaternizados para eletrolisadores de água de membrana de troca aniônica de alto desempenho[J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 — 385.
Data da publicação: 02/02/2023