美(mei)(mei)國Versogen是(shi)陰離(li)子交(jiao)換膜(Anion Exchange Membrane)和AEM水電(dian)解電(dian)堆研發與制造公(gong)司(si)。公(gong)司(si)位于美(mei)(mei)國特拉華州(zhou)威名(ming)頓市(shi)，坐(zuo)落于環境優美(mei)(mei)的(de)杜邦(bang)實(shi)驗科學站。杜邦(bang)實(shi)驗科學站設施完(wan)備，專家齊全，是(shi)眾多傳奇(qi)先進材料(liao)的(de)搖籃、化工科研者的(de)圣地，為Versogen的(de)成長(chang)與發展(zhan)夯實(shi)了基礎。

Versogen 公司的核(he)心產品是 PiperION 陰離子交換(huan)膜，目(mu)前已廣泛(fan)應用于 AEM水電(dian)解制氫、氫燃料電(dian)池、二(er)氧(yang)化碳(tan)還原等。作(zuo)為電(dian)化學反應(ying)中的固態電(dian)解質和隔離膜，PiperION 陰離(li)子(zi)交(jiao)換膜(mo)能選擇性的透過陰離(li)子(zi)，并阻隔陽(yang)離(li)子(zi)、電子(zi)以及氣(qi)體的穿(chuan)透。具有離(li)子(zi)傳導率(lv)高(gao)(150 mS/cm, OH-, 80℃)，堿(jian)穩定(ding)性高(8000+ h, 1 M KOH, 80℃)和機械(xie)強度高(gao) (67 MPa stress, 117% strain)的特點。

Versogen自(zi)支撐(cheng)陰離子(zi)膜

Versogen 自支撐(cheng)陰離子膜（VersogenSelf-SupportingAEMs）目前有 15μm、20μm、32μm、 40μm、60μm、80μm 六種厚(hou)度。

1.1 PiperION-A80-HCO3陰離子膜

一款基于聚芳環哌啶(PAP, PolyArylPiperidinium)的有機(ji)高分子(zi)膜，結合了高強(qiang)度(du)的芳環主鏈與(yu)耐強(qiang)堿(jian)的二甲(jia)基哌啶離(li)子(zi)官(guan)能團，是專門為水(shui)電(dian)解(jie)制(zhi)氫應用開發(fa)的80μm高(gao)強度自支撐陰離(li)子交換膜。更高(gao)的厚度能在(zai)不犧(xi)牲(sheng)電化學性能的前提下(1.8V@1.9A/cm², 1 MKOH, 80℃)，實現直接生產高純高壓氫氣(99.9995%, 30bar)，并(bing)且具有極低(di)的(de)氫氣滲(shen)透率 (1×10-13mol/(KPa·s·cm),為Nafion質子交換膜的(de)50%)，安全可靠。

1.2 PiperION-A40-HCO3陰離子(zi)膜(mo)

一(yi)款自支撐陰離(li)子交(jiao)換膜因其出眾的(de)離(li)子傳導率(lv)和強韌的(de)機(ji)械性能(neng)，廣泛應用于二氧化(hua)(hua)碳還(huan)原(yuan)等電化(hua)(hua)學電解槽中。40μm的(de)厚度(du)能(neng)從容(rong)應對電解槽中表面粗糙(cao)的(de)金(jin)屬氣體(ti)擴散電極(GDE, GasDiffusionElectrode)，超高的(de)離(li)子傳導率(lv)保證了電解槽效率(lv)不減，穩(wen)定的(de)機(ji)械強度(du)可以輕(qing)松適(shi)應自動化(hua)(hua)裝配。

1.3 PiperION-A20-HCO3陰離子(zi)膜

一款自支(zhi)撐陰(yin)離(li)子(zi)交換膜，較之于目前市場上(shang)其他(ta)陰(yin)離(li)子(zi)交換膜，因其超薄(bo)的厚度(20μm)以(yi)及碳酸氫(qing)(qing)根(gen)陰(yin)離(li)子(zi)形(xing)式(shi)，能直接應用于AEM氫(qing)(qing)燃料(liao)電池中，無(wu)需(xu)繁雜的堿處理操作(zuo)，可(ke)以(yi)有效地簡化電堆的組裝工藝(yi)，為(wei)氫(qing)(qing)燃料(liao)電池提供持久強勁的電力。

1.4 Versogen復合陰離子膜

Versogen復(fu)合(he)陰離(li)子膜（AEMs），是由功能化聚芳基哌啶樹脂材料(liao)和微(wei)孔(kong)ePTFE載體制成的(de)(de)。微(wei)孔(kong)ePTFE顯著提高了陰離(li)子膜的(de)(de)機(ji)械穩定性。由于膜的(de)(de)一部分是惰性的(de)(de)，沒有功能化樹脂材料(liao)，因此復(fu)合(he)膜的(de)(de)離(li)子導電性通常比(bi)具有相同厚度的(de)(de)自支(zhi)撐膜要低(di)，機(ji)械增強(qiang)膜也稱(cheng)為增強(qiang)復(fu)合(he)膜，是加壓(ya)應用的(de)(de)理想選(xuan)擇。

1.5 PiperION-A15R-HCO3陰離子膜

這(zhe)款復合(he)陰離子交換膜(mo)(mo)在超薄自支撐膜(mo)(mo)的基礎上加(jia)入高(gao)(gao)度穩定的微(wei)孔(kong)ePTFE載(zai)體，進一步降低膜(mo)(mo)的厚度到15μm。復合(he)膜(mo)(mo)具有(you)更(geng)低的面積電阻率和更(geng)高(gao)(gao)的形(xing)變穩定性，在環境濕度變化(hua)時能保持更(geng)高(gao)(gao)的平(ping)整性，適用(yong)于追求高(gao)(gao)性能AEM燃料電池的應用(yong)以及(ji)自動化(hua)生產線(xian)。

膜的運輸和處理

1.1 膜(mo)的(de)運(yun)輸

離子膜附(fu)著在剛性(xing)基板(ban)載(zai)體上，薄膜卷用(yong)塑(su)料包裹著，拆卸(xie)外(wai)部塑(su)料時，確保不要刺(ci)穿剛性(xing)基板(ban)。膜是干燥的(de)，以碳(tan)酸氫鹽的(de)形式運輸和儲存，薄膜上有一個具有厚度、尺寸(cun)和樣品ID的(de)標(biao)簽。

1.2  膜的處(chu)理

膜以干燥的碳酸氫鹽的形式運輸：未使用時，將膜保持在提供的包裝內。打開膜后僅供直接使用。暴露在空氣中會導致膜吸水，從而導致膜起皺和膨脹。在干凈、無塵的區域存放、搬運和處理該膜，觸摸時必須佩戴手套，因為皮膚上的鹽會將不需要的陰離子（如Cl^-）污染離子膜，若要使用該離子膜，請取下蓋板。然后，將薄膜和背板一起切割到所需的尺寸，小心地從背襯板上抽出膜。更換剩余隔膜上的蓋板。

要從背板(ban)上去(qu)除膜，請參考下圖中所(suo)述的步驟。如(ru)果使用標準程(cheng)序去(qu)除膜有困難，請用去(qu)離(li)(li)子水弄濕紙巾并(bing)擦(ca)拭膜。膜會輕微褶皺(zhou)，從背板(ban)分(fen)離(li)(li)。由于(yu)此程(cheng)序會導致(zhi)膜內起皺(zhou)，因(yin)此只有在(zai)難以按照(zhao)標準步驟剝離(li)(li)背板(ban)上的膜時才(cai)能使用。

請務必小心處理，避(bi)免折疊或(huo)覆(fu)蓋膜(mo)導致離(li)子膜(mo)破裂！！！

膜(mo)的(de)預處(chu)理

如果可以，使用前將膜在環境條件下放置1小時，去除蓋板。對于氫氧化物交換膜燃料電池/電解應用，膜應從碳酸氫鹽形式轉化為OH^-型，以獲得最佳的電導率。

要將膜轉化為OH^-型，請將膜置于 0.5M 氫氧化鈉或氫氧化鉀的水溶液中，在室溫下放置1小時。1小時后，用新鮮的0.5M氫氧化鈉或氫氧化鉀更換溶液，并使膜在室溫下再次浸泡1小時。兩次浸泡后，用去離子水沖洗濾膜（pH～7）。盡量減少暴露在環境空氣中，因為膜可以吸收CO₂，導致膜轉化為碳酸氫鹽形式。

如果不(bu)允許將膜浸(jin)入(ru)(ru)水基中，可以通(tong)過緩(huan)慢增加通(tong)過膜的(de)電流，將所有碳酸氫(qing)鹽轉化(hua)為(wei)氫(qing)氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)。在轉化(hua)期間，電導率的(de)增加是膜中的(de)氫(qing)氧(yang)(yang)化(hua)氫(qing)取代碳酸氫(qing)鹽的(de)指標(biao),為(wei)了獲得最(zui)佳性能，建(jian)議采用基礎浸(jin)入(ru)(ru)式和(he)磨合(he)程序。

注意：避免OH^-型的膜干燥。干燥條件下的長期儲存應采用碳酸氫鹽形式。

應(ying)用實例

1.1 AEM水電解

ACS Catal.:Water-FedHydroxideExchangeMembraneElectrolyzerEnabledbya Fluoride-Incorporated Nickel–Iron Oxyhydroxide Oxygen Evolution Electrode

doi.org/10.1021/acscatal.0c04200

結合Versogen的新型鎳-鐵陰極催化劑與PiperION陰離子膜，實現純水高效電解制氫達到單電池1020 mAcm^-2電密與1.8V電壓。為低成本規模生產綠氫打下科研基礎。

ACS Appl.Mater.Interfaces:PerformanceandDurabilityofPure-Water-FedAnion Exchange Membrane Electrolyzers Using Baseline Materials and Operation

doi.org/10.1021/acsami.1c06053

基于全商用材料的純水水電解制氫對比研究，PiperION陰離子交換膜實現單電池1Acm^-2電密與 1.9 V 電壓，在性能與穩定性上都超過對比的商用陰離子交換膜。

1.2 燃料電池

Nat. Energy: Poly(aryl piperidinium) membranes and ionomers for hydroxide exchange membrane fuel cells

doi.org/10.1038/s41560-019-0372-8

新型 PiperION 陰離子交換膜及交換樹脂報道于 NatureEnergy 雜志并獲得美國U.Spatent 10,290,890。在使用低鉑載量陰極催化劑，銀納米陽極催化劑和氫/空條件下實現 920 mW cm^-2的功率密度。

J. Electrochem. Soc.: High-Performance Hydroxide Exchange Membrane Fuel Cells through Optimization of Relative Humidity,Backpressure and Catalyst Selection

doi.org/10.1149/2.0361907jes

基于 PiperION陰離子交換膜的氫燃料電池實現 1.89 Wcm^-2 的氫/氧最高功率密度和 1.31 W cm^-2的氫/空最高功率密度。

J. Electrochem. Soc.: Improving Performance and Durability of Low Temperature Direct Ammonia Fuel Cells: Effect of Back pressure and Oxygen Reduction Catalysts

doi.org/10.1149/1945-7111/abdcca

通過優化背壓與陽極催化劑，基于PiperION 陰離子交換膜的直接氨氧燃料電池創造了 390 mW cm^-2功率密度的高性能記錄。

1.3 CO₂還(huan)原 CO2RR

Energy Environ. Sci.: High carbonate ion conductance of a robust PiperION membrane allows industrial current density and conversion in a zero-gap carbon dioxide electrolyzer cell

doi.org/10.1039/d0ee02589e

基于PiperION陰離子交換膜的零間隙CO₂電解還原電池，得益于PiperION的高離子傳導率，實現高性能(j＞1A/cm²)，高轉化率(45%)與高選擇性(90%)的CO還原生成CO。為CO₂其工業化應用奠定基礎，變廢為寶。

Nat.Energy:Operandocathodeactivationwithalkalimetalcationsforhigh current density operation of water-fed zero-gap carbon dioxide electrolysers

doi.org/10.1038/s41560-021-00813-w

大尺寸的CO₂電解還原電池(活性面積=100cm²)機理與穩定性研究，PiperION陰離子交換膜表現出遠超對手的高性能與高穩定性，具有商業化應用前景。