陰イオン交換膜電気分解

AEM電気分解

HER および OER を使用した AEM 水電気分解の動作原理。

陰イオン交換膜 （AEM）電気分解は、陰イオン交換膜と呼ばれる水酸化物イオン（OH ⁻）を伝導する半透膜を利用する水の電気分解です。プロトン交換膜（PEM）と同様に、膜は生成物を分離し、電極間の電気絶縁を提供し、イオンを伝導します。PEMとは異なり、AEMは水酸化物イオンを伝導します。AEM水電気分解の主な利点は、高価な貴金属触媒が必要なく、代わりに安価な遷移金属触媒を使用できることです。^{[1] [2]} AEM電気分解は、陰イオン交換膜の代わりに非イオン選択性セパレーターを使用する アルカリ水電気分解に似ています。

すべての水電気分解法の中で、AEM電解はアルカリ水電気分解（AWE）とPEM電解の利点を組み合わせることができます。 ^{[3] [4]} 高分子電解質膜電解では、白金、イリジウム、ルテニウムなどの高価な白金族金属（PGM）を触媒として使用します。たとえば、イリジウムは白金よりも希少であり、100MWのPEM電解装置には150kgのイリジウムが必要になると予想されており、推定700万ドルの費用がかかります。^[5]アルカリ水電気分解と同様に、AEM電解の電極はアルカリ環境で動作するため、Ni、Fe、Co、Mn、Cuなどをベースとした非貴金属で低コストの触媒を使用できます。^{[1] [3] [4] [6] [7]}

AEM電解装置は、AWEの高濃度アルカリ溶液（5M KOH/NaOH）とは異なり、純水または弱アルカリ溶液（0.1-1M KOH/NaOH）で作動します。^{[3] [8]}これにより、漏れのリスクが軽減されます。^[3]アルカリ溶液（通常、KOH/NaOH）を使用すると、膜の導電性が向上し、水酸化物イオン伝導経路が追加され、触媒の利用率が向上します。PGM触媒なしで1 A/cm ²で動作するAEM電解装置の電流密度は、純水供給で1.8ボルト、1 M KOH供給で1.57ボルトが必要であると報告されています。^[9]電解液は、陽極側と陰極側の両方、または陽極側のみに供給できます。^[10]

AWE のゼロギャップ設計では、電極はガスを分離する隔膜によってのみ分離されています。隔膜は水と水酸化物イオンのみを通過させますが、ガスのクロスオーバーを完全に排除するわけではありません。酸素ガスは水素半電池に入り、カソード側で反応して水を形成し、電池の効率を低下させます。H 2 から_O 2 発生側への_{ガスのクロスオーバーは、4%mol を超える H 2}を含む爆発性のガス混合物を生成する可能性があるため、安全上の問題を引き起こす可能性があります。^{[8] [11] AEM 電解装置は、5000 時間の運転中、H} ₂クロスオーバーを 0.4% 未満に維持すると報告されています。 ^[12]

芳香族ポリマー骨格に基づくAEMは、大幅なコスト削減が期待されています。PEMで使用されるナフィオン膜と比較すると、ナフィオンの製造には毒性の高い化学物質が必要であり、コストが増加しました（> 1000ドル/ m ²）^{[13] [14]。}また、テトラフルオロエチレンの製造段階でフルオロカーボンガスが生成され、大きな環境影響を及ぼします。 ^[15]フッ素化原材料はAEMには必須ではないため、低コストのポリマー化学の幅広い選択が可能になります。^[2]

AEM電解はまだ研究開発の初期段階にあるのに対し、アルカリ水電解は成熟段階にあり、PEM電解は商業段階にあります。純水を供給するAEM電解装置に関する学術文献は、KOH溶液の使用に比べて少ないです。^[11] 消費者レベルのAEM電解装置が直面している主な技術的課題は、膜の耐久性が低いことです。これは、デバイスの寿命または寿命が短いことを意味します。PEM電解装置スタックの寿命は20,000時間から80,000時間の範囲です。^{[9] [8]文献調査によると、AEM電解装置の耐久性は、純水供給（陽極と陰極にPtグループ触媒）、高濃度KOH供給、および1wt% K} ₂ CO ₃供給でそれぞれ> 2000時間、> 12,000時間、および> 700時間であることが実証されています。^[9]

AEMの大規模利用の障害を克服するには、イオン伝導性と耐久性の向上が不可欠です。多くのAEMは60℃以上の温度で分解するため、O2の存在、高pH、60℃を超える温度に耐えられるAEMが_必要です。^{[17] [18]}

_{酸素発生反応 (OER) では、O 2}分子 1 個を生成するために 4 つの電子が必要で、複数の OH ^-アニオンを消費し、触媒表面に複数の吸着中間体を形成します。これらの複数の反応ステップにより、高いエネルギー障壁と高い過電圧が生成され、OER が遅くなります。AEM 電解装置の性能は、主に OER に依存します。OER の過電圧は、反応の中間体結合を破壊する効率的な触媒によって低減できます。 アルカリ溶液中の水素発生反応(HER) の速度は、酸性溶液中よりも遅くなります。これは、追加のプロトン解離と、酸性条件では存在しない水素中間体 (H*) の形成が原因です。^{[17] [3]}

* は触媒の表面に吸着された種を示します。

反応は、フォルマー段階での水の吸着と解離、およびターフェル段階またはヘイロフスキー段階での水素の脱着から始まります。

水酸化物イオンは本質的に H ⁺よりも移動度が低いため、イオン交換容量を増やすとこの移動度の低さを補うことができますが、膨潤が増加し、膜の機械的安定性が低下します。膜を架橋すると、膜の機械的不安定性を補うことができます。第四級アンモニウム(QA) ヘッドグループは、AEM でポリマーマトリックスを結合するために一般的に使用されます。ヘッドグループでは、陰イオンは輸送できますが、陽イオンは輸送できません。QA AEM は OH ^-攻撃の影響を受けやすいため、化学的安定性が低くなります。有望なヘッドグループの候補には、イミダゾリウムベースのヘッドグループや、ホスホニウム、スルホニウム、リガンド金属錯体などの窒素を含まないヘッドグループがあります。ほとんどの QA とイミダゾリウムグループは、特に高温および pH が高い場合、アルカリ環境でホフマン分解、S _N 2 反応、または開環反応によって分解します。^{[17] [19]}

ポリマーAEMバックボーンはカチオンを含まないベースポリマーです。ポリ（アリーレンエーテル）ベースのバックボーン、ポリオレフィンベースのバックボーン、ポリフェニレンベースのバックボーン、カチオン部分を含むバックボーンなどがその例です。^[17]

最も優れた性能を示すAEMとしては、HTMA-DAPP、QPC-TMA、m-PBI、PFTPなどがある。^[15]

膜電極アセンブリ(MEA) は、アノードとカソードの触媒層と、その間の膜層から構成されています。触媒層は、膜または基板上に堆積できます。触媒コーティング基板 (CCS) と触媒コーティング膜 (CCM) は、MEA を準備するための 2 つの方法です。基板は、電気を伝導し、触媒を機械的に支持し、ガス状生成物を除去する必要があります。

AEMの基板としては通常ニッケルが使用され、PEMではチタンが使用され、AEMではニッケルとチタンの両方が使用できます。炭素材料は、求核剤であるHO-イオンによって劣化するため、陽極側には適していません。^{[ 11]}陰極では、ニッケル、チタン、炭素が容易に使用できます。触媒層は通常、触媒粉末とイオノマーを混合してインクまたはスラリーを生成し、スプレーまたは塗装で塗布することによって作られます。 ^{[17] [11]}その他の方法としては、電着、マグネトロンスパッタリング、化学無電解めっき、基板へのスクリーン印刷などがあります。^{[11] [20]}

イオン交換樹脂は触媒、基質支持体、膜の結合剤として機能し、OH-伝導イオンを供給して^電気触媒活性を高める。^{[4] [17] [11]}