超声波喷涂阴离子交换膜
超声波喷涂助力阴离子交换膜，推动能源革新
在全球能源格局中，能源危机如同高悬的达摩克利斯之剑，严重制约着国家经济的发展。自上世纪以来，多数工业与交通运输部门对化石燃料过度依赖，而这恰恰是温室气体排放的 “元凶”。为打破这一困局，践行零碳排放战略，大力发展太阳能、风能、地热能等可再生能源技术迫在眉睫。
然而，自然资源分布不均，给可再生能源的大规模利用设置了重重障碍。在此背景下，开发理想的能量载体技术刻不容缓。这类技术需具备轻松储存能量的能力，并能广泛应用于交通、工业、太空和住宅等多个领域的能源生产环节。氢气技术因具备实现零碳排放的潜力，在过去几十年间，深受发达国家青睐并得以广泛采用。
但以往氢气多通过天然气等化石燃料生产，这类 “灰氢” 在生产过程中会向环境释放大量二氧化碳。简而言之，基于化石燃料的氢气生产方式，不仅会产生二氧化碳等有害气体，严重破坏生态环境，而且生产出的氢气纯度较低。因此，开发利用可再生资源生产 “绿氢” 的技术，已成为能源领域的当务之急。
为实现绿色经济与零碳排放目标，基于水电解的技术被视为极具潜力的解决方案。在装有选择性阳极和阴极的电解设备中施加直流电，便可通过水电解生成氢气，这类电解设备被称为电解槽。依据所使用的膜材料，电解槽主要分为质子交换膜电解槽（PEM）、阴离子交换膜电解槽（AEM）以及固体氧化物膜电解槽（SOEC）三类。
与 PEM 和 SOEC 不同，AEM 采用成本较低的不锈钢板作为双极板，并使用过渡金属基催化剂，这使其成为一种成本效益颇高的技术。不过，在提升 AEM 性能的进程中，仍面临诸多挑战，其中膜和催化剂在高碱性环境下的稳定性问题尤为突出。
阴离子交换膜（AEM）在阴离子传输、隔离阴极与阳极、阻止氢氧串气以提高生成气体纯度等方面发挥着不可替代的关键作用。研发具备高离子电导率、优良机械性能、热稳定性和化学稳定性的阴离子交换膜，对显著提升 AEMWEs 的整体性能和寿命意义重大，有助于其在可持续能源解决方案中发挥更为关键的作用。
众多研究聚焦于阴离子交换膜（AEM）或阳离子聚合物膜（CPM）的制造，这些膜能够选择性地允许负电荷的氢氧根离子通过。基于这些研究，AEM 可分为两类：（i）含芳基醚的 AEM，（ii）无芳基醚的 AEM。
在醚基 AEMs 中，全氟基团、磺酰基和羰基等电子吸引基团较为常见，这些基团会削弱醚键的稳定性，在碱性条件下极易成为亲核攻击的主要目标，进而导致醚键快速降解，大幅降低 AEM 的耐久性。
无芳基醚的 AEM 涵盖聚烯烃类（如聚苯撑、聚乙烯和聚苯乙烯）、聚（芳基哌啶）(PAPs)、聚（苯并咪唑）(PBIs)、聚（苯撑烷基）(PPA) 以及 Troger’s base (TB) 聚合物为基础的 AEM。这些聚合物丰富的结构多样性，决定了膜的最终性能，包括离子交换容量（IEC）、离子电导率（IC）、吸水能力（WUC）和化学热稳定性等。
此外，合成路线和试剂的可得性在膜材料制备中也占据重要地位。例如，在合成聚烯烃（POs）、聚苯撑（PPs）及其与含氟单体的共聚物时，往往需要多个中间步骤或后续修正步骤，加之商业试剂稀缺，导致成本居高不下，极大地限制了大规模生产。
由于这些聚合物中存在大量稠环芳烃，致使形成的膜较为刚性，且分子量较低。因此，这类聚合物的吸水能力、离子交换容量、离子电导率均较低，性能表现欠佳。在化学稳定性方面，聚苯撑（PPs）中含有作为侧链的季铵氮原子，且该氮原子旁仅有一个碳原子，这使其在碱性环境下比其他聚合物更为稳定。然而，那些含有较长碳链（多达 2 至 6 个碳原子）的聚合物，化学稳定性较差，远不如含有单个碳原子的季铵氮稳定。
另一方面，PBI 聚合物虽具备优异的机械性能、化学稳定性和热稳定性，但因其吸水能力（WUC）和离子电导率（IC）较低，在碱性介质中的表现差强人意。此外，PBI 合成中所使用的试剂价格相对昂贵，这也削弱了其相对于其他聚合物的选择优势。
当下，基于聚（芳基哌啶）(PAPs) 的 AEMs 因单体来源广泛、结构多样，且能通过改变单体实现可变物理性能，近年来备受关注。该产品已实现大批量生产及商业应用，这类 AEM 膜经加速老化实验，测得化学寿命已超 60000h，且仍在不断增长。
相比之下，TB 聚合物是一类多功能聚合物，其独特之处在于两个芳香环之间通过氮原子形成融合结构。由于两个氮原子的结合，形成了特殊的空隙或通道，使得氢氧离子能够在其中自由移动，从而显著提高了离子交换容量（IEC）、离子电导率（IC）和吸水能力（WUC）。这类聚合物经过修饰，机械性能大幅优于长链聚合物。由于 TB 聚合物结构中不存在 β- 氢原子，能够有效抵御亲核攻击，其碱性稳定性得到极大提升。
在阴离子交换膜的制备过程中，超声波喷涂技术展现出诸多独特优势。驰飞超声波喷涂技术能够精确控制涂层厚度，确保膜的性能均匀一致。相较于传统喷涂方式，它可以实现更薄、更均匀的涂层，这对于提高阴离子交换膜的离子传输效率至关重要。例如，在制备基于不同聚合物的 AEM 时，超声波喷涂能够精准地将功能材料喷涂在膜的表面或内部特定位置，优化膜的微观结构，从而提升膜的整体性能。
同时，超声波喷涂技术能够提高材料的利用率。在传统喷涂中，大量材料会因飞溅等原因浪费，而超声波喷涂利用高频振动使涂料雾化更精细，能够更有效地将材料喷涂到目标位置，减少浪费，降低生产成本。对于 AEM 的大规模生产而言，这一优势尤为显著，有助于提高生产效率，推动阴离子交换膜在能源领域的广泛应用。
此外，超声波喷涂技术还能改善膜与催化剂之间的结合力。在 AEM 中，催化剂的稳定附着对提高电解效率十分关键。超声波喷涂能够使催化剂更均匀地分散并牢固地附着在膜表面，增强两者之间的相互作用，从而提高催化剂的活性和稳定性，进一步提升 AEM 在高碱性环境下的性能表现。
综上所述，超声波喷涂技术在阴离子交换膜的制备中具有重要应用价值，能够为提升 AEM 性能、推动能源领域的绿色发展贡献力量。
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杭州驰飞是超声镀膜系统开发商和制造商，产品主要应用于燃料电池质子交换膜喷涂、薄膜太阳能电池、钙钛矿、微电子、半导体、 纳米新材料、玻璃镀膜、 生物医疗、纺织品等领域。
