Methylene-Cross-Linked Poly(biphenyl piperidinium) Anion Exchange Membranes: Enhanced Alkaline Stability and Performance for Water Electrolysis Applications

材料科学 碱性水电解 离子交换 电化学 电解 氢氧化物 降级(电信) 离子 电解水 电导率 化学工程 离子电导率 聚合物电解质膜电解 无机化学 电流密度 离子键合 分解水 碱度 氢氧化钾 化学稳定性 电渗析 离子运输机 电压 法拉第效率 水处理 介电谱
作者
Aniruddha Mondal,Bijay P. Tripathi
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (44): 60476-60489
标识
DOI:10.1021/acsami.5c13376
摘要

This study presents the development of a methylene-cross-linked poly(biphenyl piperidinium) anion exchange membrane (AEM) designed to overcome the key limitations of cost, durability, and performance in alkaline water electrolysis applications. The cross-linking strategy employed eliminates the need for expensive β-proton-containing cross-linkers while significantly enhancing both dimensional and alkaline stability of the membrane. Systematic variation of cross-linking density revealed that the optimized 10% cross-linked quaternized poly(biphenyl piperidine) (10XQPBP) membrane exhibits exceptional alkaline resistance with only 15.22% degradation after 3024 h in 2 M KOH at 80 °C, representing substantial improvements over non-cross-linked analogues. The membrane demonstrates superior ionic transport properties with a hydroxide ion conductivity of 132.9 mS/cm at 100 °C, which is three times higher than that of commercial FAA-3-50. Electrochemical performance validation in zero-gap water electrolysis configuration achieved a maximum current density of 1.743 A/cm2 at 2.4 V in 1 M KOH at 60 °C, with remarkable operational stability evidenced by a voltage degradation rate of only 0.14 mV/h during continuous operation at 500 mA/cm2. The developed cross-linking approach offers a cost-effective pathway to high-performance AEMs, addressing critical barriers to commercial deployment of alkaline electrolyzers for sustainable hydrogen production.
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