开发出世界最高性能二氧化碳转化用阴离子交换膜材料

Published 24 Jul.2023 14:15(KST)

韩国化学研究院：性能和耐久性较以往提升逾2倍

韩国科研团队开发出了具有世界最高性能和耐久性的电化学二氧化碳转化用阴离子交换膜材料技术。

韩国化学研究院24日表示，该院Lee Jangyong博士研究团队与韩国科学技术研究院（KIST）Won Dahye、Lee Woong博士研究团队合作，开发出一种可大幅提升将二氧化碳转化为化学原料一氧化碳（CO）过程中所使用的阴离子交换膜性能的材料。

一氧化碳是酒精、塑料等多种化学产品的基础物质，是重要的工业原料。因此，为了将被视为气候变化主要原因的二氧化碳转化为有用资源一氧化碳，各类技术正在被开发。其中，电化学转化工艺因其能耗低、工艺简单，而作为下一代二氧化碳捕集与利用（CCU）技术备受关注，相关商业化研究正积极推进。

要实现电化学二氧化碳转化工艺的商业化，构成工艺的“阴极材料”“阳极材料”“阴离子交换膜材料”三者的性能都必须优异，其中阴离子交换膜材料技术难度较高，研发进展缓慢，长期成为工艺商业化的绊脚石。尤其是阴离子交换膜必须具备良好的性能，能够将阴极产生的阴离子顺利输送到阳极；在工艺应用时，还需具备能够在高温条件下长期稳定运行的耐久性。目前研究用阴离子交换膜完全依赖进口，对热不稳定、耐久性差，且离子传导率低，整体性能不佳。尽管如此，由于材料开发的技术难度高，始终未能开发出能够超越现有产品的新材料。

研究团队通过应用提高分子量的技术，制备出坚固的“聚咔唑系”高分子材料，并赋予其有利于阴离子通过的化学特性，首次在国内开发出兼具高性能和高耐久性的电化学二氧化碳转化用阴离子交换膜。一般而言，高分子材料的分子量越大，即像链条一样反复连接的分子团块越大，其耐久性越好，这被称为“高分子量化技术”。研究团队利用韩国化学研究院独有的专利技术，使阴离子交换膜材料更加坚固。实验结果显示，与以往材料因热稳定性低只能在室温下运行不同，新开发材料在60℃的运行条件下也能稳定工作150小时。此外，研究团队在高分子材料中引入了具有柔性树枝状化学结构的“四甲基咪唑鎓基团”，使阴极反应生成的氢氧阴离子（OH⁻）能够顺利迁移至阳极，从而提升了材料这一核心性能——离子电导率。

该材料的一氧化碳生产性能较现有海外材料提升了两倍以上。在相同条件（1千瓦堆栈运行1天）下，采用现有材料每天最多可生产约1.6千克一氧化碳，而采用研究团队开发的新材料，每天最多可最终生产约3.6千克一氧化碳。另外，研究团队分别对应用新开发材料和现有商用材料的装置进行了计算机仿真分析，从理论上阐明了与实际实验结果相对应的机理，并据此明确地理论化了为提升二氧化碳转化性能而设计阴离子交换膜的关键要求。韩国化学研究院院长Lee Youngkuk表示：“通过本次技术开发，不仅有望缩小与发达国家在能源领域核心电解质材料技术方面的差距，还期待未来通过与相关企业开展技术转移和商业化推进，成为开发下一代CCU创新技术的支点。”