Rapid and facile preparation of freestanding dense polymer membranes from high-boiling-point solvents for anion exchange membrane water electrolyzers

聚合物 化学工程 材料科学 溶剂 电解 高分子化学 电解质 化学 有机化学 电极 复合材料 生物化学 工程类 物理化学
作者
Du Ru Kang,Gi Hyo Sim,So Youn Lee,Jae Hun Lee,Ki Chul Kim,Jong Hak Kim
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:480: 147991-147991 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.147991
摘要

Transparent, dense, and freestanding polymer membranes are typically prepared by solution casting (SC). However, SC is a time-consuming (>24 h) multi-step process that requires high-temperature vacuum treatment. Here, we report a rapid and facile method—nonsolvent-induced film formation (NIFF)—for preparing dense, freestanding membranes by immersing a polymer solution in a nonsolvent, using two types of poly(arylene piperidinium) (PAP) and their quaternized versions. Thermodynamic, kinetic, and molecular dynamics analyses of polymer/solvent/nonsolvent ternary systems reveal that the PAP polymers have high affinities for the nonsolvent (water), yielding a gel between homogeneous and heterogeneous regions. The protective gel layer at the polymer/solvent–nonsolvent interface averts penetration of the nonsolvent and permits withdrawal of the solvent from the polymer solution, forming a nonporous dense membrane. The physicochemical, mechanical, morphological, and electrochemical characteristics of NIFF- and conventional-SC-derived membranes are comparable. Moreover, the alkaline water electrolysis cell performance is evaluated using the membranes and platinum group metal-free catalyst. Both NIFF- and SC-derived membrane-based cells achieve an equivalent current density of 910 mA cm−2 at 2.0 V, which is 20 % higher than commercial FAA-3-50 membrane-based cells. This study establishes an innovative strategy to facilely fabricate freestanding polymer films with a time- and energy-saving process for ion-conducting membranes.
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