Межфазная стабилизация мембраны Nafion с помощью графена и ПТФЭ: путь к созданию более прочной полимерной электролитной мембраны для электролиза воды

Стабильность и долговечность электрохимических систем преобразования энергии являются важными проблемами. В данном исследовании изучались две стратегии стабилизации: 1) нанесение барьерного слоя из многослойного графена на обе стороны мембраны Nafion и 2) введение политетрафторэтилена непосредственно в каталитические слои. Электрохимические характеристики оценивались в двухэлектродной конфигурации: путем потенциостатического старения при 2,5 В и измерения кроссовера водорода. Характеристика материалов, выполняющих функции барьерных слоев, проводилась с использованием сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, лазерной корреляционной спектроскопии и дифференциального термического анализа. Показано, что оба компонента стабилизируют Nafion за счет межфазных взаимодействий, что приводит к увеличению срока службы и снижению кроссовера водорода. В то время как в контрольном образце наблюдалось увеличение кроссовера, в модифицированных образцах оно снизилось на 50% и 33%. Эти результаты подчеркивают потенциал изучаемых материалов для повышения стабильности электролизеров воды с полимерной электролитной мембраной, что способствует созданию более долговечных и эффективных систем для применения в водородной энергетике.

1. de Sá M.H. Electrochemical Devices to Power a Sustainable Energy Transition—An Overview of Green Hydrogen Contribution. Applied Sciences, 2024, 14(5), 2168.

2. Wang T., Cao X., Jiao L. PEM water electrolysis for hydrogen production: fundamentals, advances, and prospects. Carbon Neutrality, 2022, 1(1), 21.

3. Shiva Kumar S., Himabindu V. Hydrogen production by PEM water electrolysis – A review. Materials Science for Energy Technologies, 2019, 2(3), 442-454.

4. Thomassen M.S., Reksten A.H., Barnett A.O., Khoza T., Ayers K. PEM water electrolysis. In: Electrochemical Power Sources: Fundamentals, Systems, and Applications, Elsevier, 2022, 199-228.

5. Salehmin M.N.I., Husaini T., Goh J., Sulong A.B. High-pressure PEM water electrolyser: A review on challenges and mitigation strategies towards green and low-cost hydrogen production. Energy Conversion and Management, 2022, 268, 115985.

6. Norazahar N., Khan F., Rahmani N., Ahmad A. Degradation modelling and reliability analysis of PEM electrolyzer. International Journal of Hydrogen Energy, 2024, 50, 842-856.

7. Shirvanian P., van Berkel F. Novel components in Proton Exchange Membrane (PEM) Water Electrolyzers (PEMWE): Status, challenges and future needs. A mini review. Electrochemistry Communications, 2020, 114, 106704.

8. Kuhnert E., Mayer K., Heidinger M., Rienessel C., Hacker V., Bodner M. Impact of intermittent operation on photovoltaic-PEM electrolyzer systems: A degradation study based on accelerated stress testing. International Journal of Hydrogen Energy, 2024, 55, 683-695.

9. Phan T.T., Kim S.K., Islam J., Kim M.J., Lee J.H. Degradation analysis of polymer electrolyte membrane water electrolyzer with different membrane thicknesses. International Journal of Hydrogen Energy, 2024, 49, 875-885.

10. Papakonstantinou G., Algara-Siller G., Teschner D., Vidaković-Koch T., Schlögl R., Sundmacher K. Degradation study of a proton exchange membrane water electrolyzer under dynamic operation conditions. Applied Energy, 2020, 280, 115911.

11. Shi S., Weber A.Z., Kusoglu A. Structure/property relationship of Nafion XL composite membranes. Journal of Membrane Science, 2016, 516, 123-134.

12. Shin S.H., Nur P.J., Kodir A., et al. Improving the Mechanical Durability of Short-Side-Chain Perfluorinated Polymer Electrolyte Membranes by Annealing and Physical Reinforcement. ACS Omega, 2019, 4(21), 19153-19163.

13. Jao T.C., Jung G.B., Kuo S.C., Tzeng W.J., Su A. Degradation mechanism study of PTFE/Nafion membrane in MEA utilizing an accelerated degradation technique. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(18), 13623-13630.

14. Agarwal T., Sievert A.C., Komini Babu S. Enhancing durability of polymer electrolyte membrane using cation size selective agents. Journal of Power Sources. 2023, 580, 233362.

15. Ibrahim A., Hossain O., Chaggar J., Steinberger-Wilckens R., El-Kharouf A. GO-nafion composite membrane development for enabling intermediate temperature operation of polymer electrolyte fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy, 2020, 45(8), 5526-5534.

16. Teixeira F.C., Teixeira A.P.S., Rangel C.M. Chemical stability of new nafion membranes doped with bisphosphonic acids under Fenton oxidative conditions. International Journal of Hydrogen Energy, 2023, 48(96), 37489-37499.

17. Krasnova A.O., Glebova N.V., Kastsova A.G., Rabchinskii M.K., Nechitailov A.A. Thermal Stabilization of Nafion with Nanocarbon Materials. Polymers, 2023, 15(9), 2070.

18. Glebova N.V., Mazur A.S., Krasnova A.O., Pleshakov I.V., Nechitailov A.A. Investigation of stability of composite Nafion/nanocarbon material. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 2023, 14(2), 202-207.

19. Primachenko O.N., Kulvelis Y.V., Odinokov A.S. New Generation of Compositional Aquivion®-Type Membranes with Nanodiamonds for Hydrogen Fuel Cells: Design and Performance. Membranes, 2022, 12(9), 827.

20. Method of Producing Porous Carbon Material Based on Highly Disintegrated Graphite, Patent Patent 2014116365/05 Russia: IPC C01B 31/04, Mazin V.I., N 2581382, Bull. N 11, 2016, p. 9.

21. FuelCellStore. Vulcan XC72 Carbon Black Technical Data Sheet. https://www.fuelcellstore.com/spec-sheets/vulcan-xc72-spec-sheet.pdf

22. Kachala V.V., Khemchyan L.L., Kashin A.S. Target-oriented analysis of gaseous, liquid and solid chemical systems by mass spectrometry, nuclear magnetic resonance spectroscopy and electron microscopy. Russian Chemical Reviews, 2013, 82(7), 648-685.

23. Lage L.G., Delgado P.G., Kawano Y. Thermal stability and decomposition of nafion® membranes with different cations. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2004, 75(2), 521-530.