在线研讨会：用于电化学分离的先进离子聚合物材料

Christopher G. Arges是阿贡国家实验室先进能源技术部运输和电力系统研究员，也是芝加哥大学普利兹克分子工程学院的CASE高级科学家，曾任宾夕法尼亚州立大学和路易斯安那州立大学化学工程学院教授，是芝加哥大学普利兹克分子工程学院的博士后学者。

Chris的研究主要集中在电化学工程和高分子科学的交叉领域，近期在期刊Energy & Environmental Science上发表了关于电化学氢泵、燃料电池用的离聚物膜的文章：

Deconvoluting charge-transfer, mass transfer, and ohmic resistances in phosphonic acid-sulfonic acid ionomer binders used in electrochemical hydrogen pumps

Karthik Arunagiri1, Andrew Jark-Wah Wong1, Luis Briceno-Mena2, José A. Romagnoli2, Michael J. Janik1, and Christopher G. Arges1*

Energy & Environmental Science，Issue 12, 2023

https://doi.org/10.1039/D3EE01776A

使用聚合物质子交换膜 （PEM） 的电化学氢泵 （EHP） 是一种非常有前景的技术，可以从气体混合物中分离氢气并压缩纯化氢气，而其它分离技术都需要下游压缩机进行氢气压缩。使用现有的天然气管道输送氢气是目前比较经济方便的方式，电化学氢泵的使用将有利于天然气管道中的氢气分配，以及加氢站的氢气压缩和工业过程中的氢气回收。

膜电极是EHP技术的核心，其中的聚合物质子交换膜（PEM）是一种离聚物材料，是分离装置的关键组成部分，其分子设计决定了分配行为和扩散系数。也常常用作燃料电池隔膜，质子通过这个膜与电子相遇，析出氢气，因此，膜的特性会直接影响到电池的性能。

Chris团队研究了含有膦酸离聚物和膦酸-PFSA离聚物混合物的HT-PEM电化学氢泵电极以及膜的欧姆、电荷转移动力学、传质电阻。制备的薄膜叉指电极阵列 （IDA），添加PFSA，例如 Aquivion?和 NafionTM 之后，可增强离聚物质子电导率，另外，Aquivion? PFSA一定条件下还能减少或消除膦酸离聚物中酸酐的形成；在MEA研究中，当将Aquivion?用作电极粘合剂，添加到膦酸离聚物中时，电化学氢泵的极化降低。电化学阻抗谱（EIS）结果表明，Aquivion?能降低电荷转移动力学电阻以及与扩散相关的电阻。

文章通过系统的实验和建模方法进行了深入探讨，实验证明三种膦酸离聚物，加入PFSA后，离子电导率，HOR/HER反应动力学，以及氢气渗透性都得到了提升，并且磷酸盐中磷酸酯的形成大大减少。

作者使用 工作站 (Reference 3000AE)，采用Galvanostatic EIS 测试膜的面电阻（100,000 Hz -1 Hz，交流扰动振幅 0.01 mA）；对薄膜叉指电极阵列进行EIS测试（100,000 Hz -1 Hz，交流扰动振幅 0.1 mA），当氢气通过时，在0-1V范围内的不同电位下进行了计时电流法测试。

使用Gamry reference 3000 and Reference 30k Booster 电化学工作站，在0-1V范围内的不同电位下，对膜电极进行计时电流测试，在0.05V 或 0.75V 直流电位下，分别进行交流扰动振幅为50 mA和200 mA的EIS测试。

本次研讨会，Chris将介绍在电化学平台实现选择性离子分离的各种方法机制。他的团队充分利用纳米加工、先进的计量学、分子动力学模拟和机器学习来测量和预测离聚物材料的活性系数。活性系数会影响分配行为并影响离子电导率。

还将探讨结合薄膜模型研究与有机酸分离的结果一起分析，分离使用的是电渗析和电去离子装置。另外，还会分享在膜电容脱盐装置中，使用双极膜进pH辅助电化学分离的具体实例，包括从废水溶液中选择性回收铜和磷酸盐，以及从地热卤水中选择性捕获锂，同时生产氢氧化锂(制造锂离子电池所需的原料)。

本次研讨会免费，如果您有兴趣，可点击左下方“阅读原文”进行注册，或直接复制此链接：https://www.gamry.com/resources-2/webinars/

如有疑问，请与我们联系 Email：wzhang@gamry.com

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