Oxidation resistant cerium oxide styrene-ethylene-propylene-styrene (SEPS) composite anion exchange membranes for water electrolysis

氧化铈 氢氧化物 化学工程 离子交换 电解 复合数 材料科学 纳米颗粒 电导率 氧化物 降级(电信) 电解水 碱性水电解 无机化学 化学 核化学 多孔性 电流密度
作者
Vinothkannan Mohanraj,Hosni Ahmed Elwan,Balakondareddy Sana,Simon Doherty,Mohamed Mamlouk
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:215: 153643-153643
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2026.153643
摘要

This study reports oxidation-resistant composite anion exchange membranes (AEMs) based on quaternised styrene–ethylene–propylene–styrene (QSEPS) ionomers reinforced with porous PTFE (1 μm pore size, 70 % porosity) and stabilised using cerium oxide (CeO 2 ) nanoparticles as regenerative radical scavengers. Ex-situ Fenton tests confirmed that CeO 2 effectively mitigates oxidative degradation, with the QSEPS/PTFE composite containing 6 wt% CeO 2 retaining 87 % of its weight after 30 h at room temperature, compared with the complete degradation of the CeO 2 -free QSEPS membrane under the same conditions. The improved stability was accompanied by a modest reduction in hydroxide conductivity in deionised (DI) water as QSEPS/CeO 2 (6 wt%)/PTFE only reached 0.035 S cm −1 at 60 °C compared with 0.048 S cm −1 for QSEPS/PTFE. However, this conductivity penalty was largely mitigated using 0.1 M KOH supporting electrolyte, where the area specific resistance (ASR) decreased from 0.339 to 0.148 Ω cm 2 for QSEPS/CeO 2 (6 wt%)/PTFE and from 0.222 to 0.115 Ω cm 2 for QSEPS/PTFE. Long-term durability tests under DI water circulation at 2 V and 60 °C showed markedly improved performance retention with QSEPS/CeO 2 (6 wt%)/PTFE exhibiting a 34.9 % current density loss over 900 h compared with 59.1 % for its CeO 2 -free counterpart, QSEPS/PTFE, corresponding to degradation rates of 147 and 314 μA cm −2 h −1 , respectively. The results demonstrate that CeO 2 nanoparticles can effectively suppress hydroxyl-radical-induced degradation, thereby extending AEM lifetime under water electrolyser conditions. • CeO 2 nanoparticles enable highly oxidation-resistant AEM composites. • QSEPS/CeO 2 /PTFE retains 87 % weight after 30 h Fenton degradation test. • Membrane durability improved twofold during 900 h water electrolysis. • CeO 2 suppresses oxidative degradation via regenerative Ce 3+ /Ce 4+ cycling. • CeO 2 stabilised AEMs offer long-life performance for alkaline electrolysers.

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