【JMS Editor’s Choice Article】测量阴离子交换膜的真实氢氧根离子电导率
以色列理工学院（Israel Institute of Technology）Dario R. Dekel教授团队近期于Journal of Membrane Science期刊（2020, 612, 118461）发表题目为Measuring the truehydroxide conductivity of anion exchange membranes的文章。该文章第一作者为硕士研究生Avital Zhegur-Khais，通讯作者为Dario R. Dekel教授。
【研究亮点】
利用原位计时电位法, 使阴离子交换膜中的碳酸氢根离子以CO2气体形式排出, 以此来测量阴离子交换膜的真实氢氧根离子电导率。
充分研究了不同阴离子交换膜的脱碳酸化过程并给出相应的真实氢氧根离子电导率。
计算了脱碳酸化过程中的时间常数τ,并将其与膜的理化性质以及脱碳酸化反应机理相关联: 该常数与离子交换容量成正相关，与电位法的电流密度成负相关。
提供了氢氧根离子扩散系数，碳酸氢根离子扩散系数等对脱碳酸化过程起关键作用的数据，有助于了解使阴离子交换膜燃料电池能在通入环境空气时正常运行的主要因素。
【文章简介】
阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)具有较高的能量密度,并且在碱性环境下可使用非贵金属催化剂,因而近年来受到广泛关注。近十年，以H2为燃料的的AEMFC的性能逐渐提高，其功率密度已超过3 W/cm2。然而，CO2对阴离子交换膜(AEM)的影响并未得到广泛研究，即使它是现今AEMFC领域的主要问题之一。在本工作中，作者使用计时电位法,对10种不同的阴离子交换膜进行脱碳酸化处理，将其中的碳酸氢根离子转化为氢氧根离子，以此得到真实氢氧根离子电导率(图1)，同时测量了相应的吸水率、离子交换容量、扩散系数以及脱碳酸化过程时间常数。
图1. 计时电位法进行脱碳酸化过程的原理示意图
如图1所示，起初AEM在40 ℃，95%相对湿度（RH）下达到稳态，然后0.1 mA的恒定电流在膜表面引发水的电解反应，产生大量氢氧根离子。氢氧根离子从阴极逐渐迁移至阳极，同时在阳极的碳酸氢根离子在恒定电流的作用下以CO2气体的形式排出。最终，AEM中的碳酸氢根离子被氢氧根离子取代，导致AEM的离子电导率增长达到一个稳定的极值（图2）。
图2. 阴离子交换膜的离子电导率在脱碳酸化过程中的变化
以LDPE-BTMA阴离子交换膜为例，在40 ℃，95% RH下得到碳酸氢根离子电导率为34 mS cm-1,在40 ℃，60 ℃，80 ℃，120 ℃下取稳定极值可得到其真实氢氧根离子电导率为137 mS cm-1, 180 mS cm-1, 223 mS cm-1,304 mS cm-1,远超在其他文献中的参考值。
基于相同的原理在40 ℃，60 ℃下测量A201，FAA-3，Sustanion60，Sustanion RT，AT-1，ETFE-TMA，LDPE-BTMA，PAPip，PF，QPAF-4(TM)的相应氢氧根离子电导率，计算得到吸水率、离子交换容量以及脱碳酸化过程时间常数。基于这些数据，可以得知脱碳酸化过程中的时间常数τ与离子交换容量成正相关，与电位法的电流密度成负相关；同时氢氧根离子扩散系数与碳酸氢根离子扩散系数的比值越低，时间常数越小，证明了例子迁移速率对脱碳酸化过程的重要性。
原文信息：
第一作者：
Avital Zhegur-Khais, 硕士生
通讯作者：
Dario R. Dekel 教授
工作单位：以色列理工大学(Technion)，化学工程学院
通讯邮件：dario@technion.ac.il (D.R. Dekel)
网址：https://dekel.technion.ac.il/