美國Versogen 陰離子交換膜AEM-電化學耗材

美國Versogen是陰離子交換膜(Anion Exchange Membrane)和AEM水電解電堆研發與(yu) 製造公司。公司位於(yu) 美國特拉華州威名頓市，坐落於(yu) 環境優(you) 美的杜邦實驗科學站。杜邦實驗科學站設施完備，專(zhuan) 家齊全，是眾(zhong) 多傳(chuan) 奇*材料的搖籃、化工科研者的聖地，為(wei) Versogen的成長與(yu) 發展夯實了基礎。

Versogen 公司的核心產(chan) 品是 PiperION 陰離子交換膜，目前已廣泛應用於(yu) AEM水電解製氫、氫燃料電池、二氧化碳還原等。作為(wei) 電化學反應中的固態電解質和隔離膜，PiperION 陰離子交換膜能選擇性的透過陰離子，並阻隔陽離子、電子以及氣體(ti) 的穿透。具有離子傳(chuan) 導率高(150 mS/cm, OH-, 80℃)，堿穩定性高(8000+ h, 1 M KOH, 80℃)和機械強度高 (67 MPa stress, 117% strain)的特點。

美國Versogen 陰離子交換膜AEM-電化學耗材 

Versogen 自支撐陰離子膜（VersogenSelf-SupportingAEMs）目前有 15μm、20μm、32μm、 40μm、60μm、80μm 六種厚度。

1.1 PiperION-A80-HCO3陰離子膜

一款基於(yu) 聚芳環呱啶(PAP, PolyArylPiperidinium)的有機高分子膜，結合了高強度的芳環主鏈與(yu) 耐強堿的二甲基呱啶離子官能團，是專(zhuan) 門為(wei) 水電解製氫應用開發的80μm高強度自支撐陰離子交換膜。更高的厚度能在不犧牲電化學性能的前提下(1.8V@1.9A/cm², 1 MKOH, 80℃)，實現直接生產(chan) 高純高壓氫氣(99.9995%, 30bar)，並且具有極低的氫氣滲透率 (1×10-13mol/(KPa·s·cm),為(wei) Nafion質子交換膜的50%)，安全可靠。

1.2 PiperION-A40-HCO3陰離子膜

一款自支撐陰離子交換膜因其出眾(zhong) 的離子傳(chuan) 導率和強韌的機械性能，廣泛應用於(yu) 二氧化碳還原等電化學電解槽中。40μm的厚度能從(cong) 容應對電解槽中表麵粗糙的金屬氣體(ti) 擴散電極(GDE, GasDiffusionElectrode)，超高的離子傳(chuan) 導率保證了電解槽效率不減，穩定的機械強度可以輕鬆適應自動化裝配。

1.3 PiperION-A20-HCO3陰離子膜

一款自支撐陰離子交換膜，較之於(yu) 目前市場上其他陰離子交換膜，因其超薄的厚度(20μm)以及碳酸氫根陰離子形式，能直接應用於(yu) AEM氫燃料電池中，無需繁雜的堿處理操作，可以有效地簡化電堆的組裝工藝，為(wei) 氫燃料電池提供持久強勁的電力。

1.4 Versogen複合陰離子膜

Versogen複合陰離子膜（AEMs），是由功能化聚芳基呱啶樹脂材料和微孔ePTFE載體(ti) 製成的。微孔ePTFE顯著提高了陰離子膜的機械穩定性。由於(yu) 膜的一部分是惰性的，沒有功能化樹脂材料，因此複合膜的離子導電性通常比具有相同厚度的自支撐膜要低，機械增強膜也稱為(wei) 增強複合膜，是加壓應用的理想選擇。

1.5 PiperION-A15R-HCO3陰離子膜

這款複合陰離子交換膜在超薄自支撐膜的基礎上加入高度穩定的微孔ePTFE載體(ti) ，進一步降低膜的厚度到15μm。複合膜具有更低的麵積電阻率和更高的形變穩定性，在環境濕度變化時能保持更高的平整性，適用於(yu) 追求高性能AEM燃料電池的應用以及自動化生產(chan) 線。

膜的運輸和處理

1.1 膜的運輸

離子膜附著在剛性基板載體(ti) 上，薄膜卷用塑料包裹著，拆卸外部塑料時，確保不要刺穿剛性基板。膜是幹燥的，以碳酸氫鹽的形式運輸和儲(chu) 存，薄膜上有一個(ge) 具有厚度、尺寸和樣品ID的標簽。

1.2  膜的處理

膜以幹燥的碳酸氫鹽的形式運輸：未使用時，將膜保持在提供的包裝內(nei) 。打開膜後僅(jin) 供直接使用。暴露在空氣中會(hui) 導致膜吸水，從(cong) 而導致膜起皺和膨脹。在幹淨、無塵的區域存放、搬運和處理該膜，觸摸時必須佩戴手套，因為(wei) 皮膚上的鹽會(hui) 將不需要的陰離子（如Cl^-）汙染離子膜，若要使用該離子膜，請取下蓋板。然後，將薄膜和背板一起切割到所需的尺寸，小心地從(cong) 背襯板上抽出膜。更換剩餘(yu) 隔膜上的蓋板。

要從(cong) 背板上去除膜，請參考下圖中所述的步驟。如果使用標準程序去除膜有困難，請用去離子水弄濕紙巾並擦拭膜。膜會(hui) 輕微褶皺，從(cong) 背板分離。由於(yu) 此程序會(hui) 導致膜內(nei) 起皺，因此隻有在難以按照標準步驟剝離背板上的膜時才能使用。

請務必小心處理，避免折疊或覆蓋膜導致離子膜破裂！！！

膜的預處理

如果可以，使用前將膜在環境條件下放置1小時，去除蓋板。對於(yu) 氫氧化物交換膜燃料電池/電解應用，膜應從(cong) 碳酸氫鹽形式轉化為(wei) OH^-型，以獲得最佳的電導率。

要將膜轉化為(wei) OH^-型，請將膜置於(yu) 0.5M 氫氧化鈉或氫氧化鉀的水溶液中，在室溫下放置1小時。1小時後，用新鮮的0.5M氫氧化鈉或氫氧化鉀更換溶液，並使膜在室溫下再次浸泡1小時。兩(liang) 次浸泡後，用去離子水衝(chong) 洗濾膜（pH～7）。盡量減少暴露在環境空氣中，因為(wei) 膜可以吸收CO₂，導致膜轉化為(wei) 碳酸氫鹽形式。

如果不允許將膜浸入水基中，可以通過緩慢增加通過膜的電流，將所有碳酸氫鹽轉化為(wei) 氫氧化物。在轉化期間，電導率的增加是膜中的氫氧化氫取代碳酸氫鹽的指標,為(wei) 了獲得最佳性能，建議采用基礎浸入式和磨合程序。

注意：避免OH^-型的膜幹燥。幹燥條件下的長期儲(chu) 存應采用碳酸氫鹽形式。

應用實例

1.1 AEM水電解

ACS Catal.:Water-FedHydroxideExchangeMembraneElectrolyzerEnabledbya Fluoride-Incorporated Nickel–Iron Oxyhydroxide Oxygen Evolution Electrode

doi.org/10.1021/acscatal.0c04200

結合Versogen的新型鎳-鐵陰極催化劑與(yu) PiperION陰離子膜，實現純水高效電解製氫達到單電池1020 mAcm^-2電密與(yu) 1.8V電壓。為(wei) 低成本規模生產(chan) 綠氫打下科研基礎。

ACS Appl.Mater.Interfaces:PerformanceandDurabilityofPure-Water-FedAnion Exchange Membrane Electrolyzers Using Baseline Materials and Operation

doi.org/10.1021/acsami.1c06053

基於(yu) 全商用材料的純水水電解製氫對比研究，PiperION陰離子交換膜實現單電池1Acm^-2電密與(yu) 1.9 V 電壓，在性能與(yu) 穩定性上都超過對比的商用陰離子交換膜。

1.2 燃料電池

Nat. Energy: Poly(aryl piperidinium) membranes and ionomers for hydroxide exchange membrane fuel cells

doi.org/10.1038/s41560-019-0372-8

新型 PiperION 陰離子交換膜及交換樹脂報道於(yu) NatureEnergy 雜誌並獲得美國U.Spatent 10,290,890。在使用低鉑載量陰極催化劑，銀納米陽極催化劑和氫/空條件下實現 920 mW cm^-2的功率密度。

J. Electrochem. Soc.: High-Performance Hydroxide Exchange Membrane Fuel Cells through Optimization of Relative Humidity,Backpressure and Catalyst Selection

doi.org/10.1149/2.0361907jes

基於(yu) PiperION陰離子交換膜的氫燃料電池實現 1.89 Wcm^-2 的氫/氧最高功率密度和 1.31 W cm^-2的氫/空最高功率密度。

J. Electrochem. Soc.: Improving Performance and Durability of Low Temperature Direct Ammonia Fuel Cells: Effect of Back pressure and Oxygen Reduction Catalysts

doi.org/10.1149/1945-7111/abdcca

通過優(you) 化背壓與(yu) 陽極催化劑，基於(yu) PiperION 陰離子交換膜的直接氨氧燃料電池創造了 390 mW cm^-2功率密度的高性能記錄。

1.3 CO₂還原 CO2RR

Energy Environ. Sci.: High carbonate ion conductance of a robust PiperION membrane allows industrial current density and conversion in a zero-gap carbon dioxide electrolyzer cell

doi.org/10.1039/d0ee02589e

基於(yu) PiperION陰離子交換膜的零間隙CO₂電解還原電池，得益於(yu) PiperION的高離子傳(chuan) 導率，實現高性能(j＞1A/cm²)，高轉化率(45%)與(yu) 高選擇性(90%)的CO還原生成CO。為(wei) CO₂其工業(ye) 化應用奠定基礎，變廢為(wei) 寶。

Nat.Energy:Operandocathodeactivationwithalkalimetalcationsforhigh current density operation of water-fed zero-gap carbon dioxide electrolysers

doi.org/10.1038/s41560-021-00813-w

大尺寸的CO₂電解還原電池(活性麵積=100cm²)機理與(yu) 穩定性研究，PiperION陰離子交換膜表現出遠超對手的高性能與(yu) 高穩定性，具有商業(ye) 化應用前景。

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