Aniontově vodivé polymerní elektrolyty pro elektrochemické systémy

Alternativní a ekologické zdroje energie, jako jsou palivové články s aniontově vodivou membránou (AEM) a vodní elektrolyzéry, jsou velmi perspektivní a levné. Slabým místem této technologie je však membrána.

Cílem této práce je překonat jedno z klíčových omezení aniontově vodivé membrány, a to hospodaření s vodou v kombinaci se zlepšeným mechanickým a elektrochemickým výkonem. Nové pokročilé polymerní membrány (stabilní v širokém teplotním rozmezí) budou vypracovány chemickou modifikací polymeru a zabudováním a imobilizací poly(iontové kapaliny) do polymerní matrice. Vlastnosti membrány budou hodnoceny z hlediska iontové vodivosti, mechanické stability a transportních vlastností. Bude zohledněn vliv následujících faktorů, tj. struktury iontové kapaliny (kationt a anion), způsobu a podmínek přípravy membrány.

K provedení povrchové morfologické analýzy membrán budou použity povrchově citlivé techniky, konkrétně rastrovací elektronová mikroskopie (SEM) a mikroskopie atomárních sil (AFM). Cílem této analýzy je prozkoumat vliv drsnosti povrchu, homogenity a distribuce polymerních heterogenních bloků nebo/a iontových kapalin na mechanické a transportní vlastnosti membrán. Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS), technika zeslabené totální reflektance infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (ATR-FTIR) a Ramanova spektroskopie budou použity ke studiu povrchové chemie a reakcí AEM, aby bylo možné nahlédnout do chemického a elektrochemického chování membrány za provozních podmínek. Kromě toho bude in-operando XPS v režimu vodního elektrolyzéru použita pro zkoumání difúze hydroxidových aniontů v tenké vrstvě katalyzátorů a také přes membránu. Elektrochemické techniky, jako je elektrochemická impedanční spektroskopie (EIS) a cyklická voltametrie (CV), lze použít ke studiu iontové vodivosti membrány, odporu přenosu náboje, křížení vodíku a kyslíku a dlouhodobé stabilitě in-situ.

Kombinací těchto povrchových studií s technikami charakterizace objemových membrán (jako je tepelná gravimetrická analýza (TGA), diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC), mechanické testování atd.) je možné získat komplexní pochopení vlastností a chování AEM, které může pomoci při vývoji účinnějších a trvanlivějších elektrochemických systémů založených na AEM. Zvláštní pozornost bude věnována přípravě sestavy membránové elektrody pomocí techniky ultrazvukového nástřiku a Meyerovy tyče. Celkový cyklický výkon propracovaného elektrochemického systému bude zkoumán v režimech elektrolyzéru a palivových článků.

Hlavním cílem práce je stanovení vztahu mezi strukturou, morfologií, aktivitou a životností AEM membrán v provozu jak v palivových článcích, tak v elektrolyzérů.

Práce bude vedena v rámci kobminovaného francouzsko-českého Ph.D. programu.

Vedoucí ve Francii: Kateryna Fatyeyeva, Dr., Assistant Prof. (Laboratory of Polymer, Biopolymer, and Surfaces; University of Rouen; Normandie)

Vedoucí v České republice: Yevheniia Lobko, Dr. (Nanomaterials Group; Charles University)

Literatura

1. Anion Exchange Membrane Fuel Cells: Principles, Materials and Systems // Edit. Liang An, T.S. Zhao, Springer Cham, 2018. ISBN978-3-030-10047-6.
2. Das, G., Choi, Ji-H., Nguyen, P.H.T., et al. Anion Exchange Membranes for Fuel Cell Application: A Review. Polymers 14 (6) (2022): 1197. https://doi.org/10.3390/polym14061197.
3. Henkensmeier, D., Najibah, M., Harms, C., et al. Overview: State-of-the Art Commercial Membranes for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis. Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage 18, 2 (2021): 024001. https://doi.org/10.1115/1.4047963.
4. Merle, G., Wessling, M., and Nijmeijer, K. Anion Exchange Membranes for Alkaline Fuel Cells: A Review. Journal of Membrane Science 377, 1–2 (2011): 1–35. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.04.043.