2021年2月上旬，合肥召开国家重点研发计划可再生能源与氢能技术专项“碱性离子交换膜制备技术及应用”项目实施方案论证暨项目启动会。该项目针对发展氢能过程中面临的电解制氢过程的电化学极化严重、氢的高效存储和利用、关键材料性能不满足规模应用需求等问题。
电解制氢，用电解法将水分解成氢和氧的工艺。一般需4.0～4.5千瓦·时的电能才可获得一标准立方米的氢，如采用高温电解水蒸气的方法或其他改进方法(如在电极上覆以各种催化剂的方法等)，则可以降低至3.0千瓦·时左右。如用太阳能作为一种辅助能源进行高温电解，可进一步降低能耗。是将其他各种能源(如太阳能、风能)转化成氢能储存的有效方法。
通过项目实施，有望突破氢能产业发展的关键难题和技术瓶颈，建立以氢能为基础的产业链，引领化工、电催化、材料、分离、新能源汽车等多个产业的发展，为我国研制包括酸碱两性电解水制氢、电催化合成氨膜反应器、氨解和直接氨燃料电池等的新型实用技术装备，发展碱性膜产业及工业化，培养和储备新能源高端人才。
离子交换膜有四种类型：
(1)阳离子交换膜;(2)阴离子交换膜：它们连接在分子链上的基团分别是带负电荷的基团，如一SO3-和一COO-，用带正电的基团，如一NH3+;、一NRH2+和一NR3+，由于静电排斥作用，分别提高阳离子和阴离子的交换能力;(3)两性离子交换膜：分子链上同时带有正、负离子，具有阴、阳离子的交换能力;(4)双极膜：这是一种阴阳离子复合膜，即将预先制备好的阴、阳离子交换膜复合在某一基材上而制得.尽管双极膜不同于两性离子交换膜，但还是可以把它归纳至两性离子交换膜中。
制备两性离子交换膜的方法有共混法、共聚法、辐射接枝法等等。辐射接枝法是将聚合物置于带官能团的聚合物溶液中进行辐射接枝，通过辐射接枝法制备出以EFTE为基底的两性离子交换膜，离子传导率为39 mS*cm-1，钒离子渗透系数为5.21*10-9cm2min-1，比Nafion117膜的系数小两个数量级以PVDF为基膜通过辐射接枝法制备的两性离子交换膜，当接枝度为25% 时，离子传导率达到45mS*cm-1，而钒离子渗透系数大大降低。共聚法则是将带有异性电荷官能基团的单体进行共聚。例如在二氟二苯酮上引入磺酸根，在双酚芴上引入季铵基团，再将两种单体进行共聚制备两性离子交换膜，室温下离子传导率为10.8 mS*cm-1，钒离子渗透系数为0.88*10-7m2min-1 。综上所述，制备两性离子交换膜的方法较为繁琐。辐射接枝法需要辐射源，共混法需要事先制备好阴离子交换膜和阳离子交换膜，而共聚法则需要事先在单体上引入异性电荷的官能团。
辐射接枝法
随着离子交换膜应用领域的不断扩展，对膜功能多元化的需求也与日俱增，界面聚合、原位聚合和接枝共聚等技术被广泛应用于制备离子交换膜。与加引发剂进行化学接枝相比，辐射接枝具有以下独特的优势：可在室温条件下接枝、接枝链不含引发剂残片，因而较纯净、接枝率易于控制。
辐射接枝的研究开始于20世纪50年代，是聚合物材料改性的重要方法之一。辐射接枝由于不需引发剂，反应条件温和而倍受人们关注。辐射接枝的手段有预辐照和共辐照两种。共辐照接枝就是将聚合物基材膜与单体一起辐照，在辐照时单体接枝到聚合物膜上 。预辐照就是将聚合物基材膜在冷冻条件下单独进行辐照一定剂量后，放入接枝单体或其溶液中，研究在不同的温度下的接枝规律 。与预辐照相比，共辐照工艺简单，不需用干冰冷冻，但是，在接枝的同时，将有很大一部分单体进行了均聚，单体浪费严重。
(1)活性聚合(可控)辐射接枝
利用活性聚合技术可以很方便地控制聚合物的分子量及其结构。1956年，Szwarc等发现阴离子活性聚合，开创了活性聚合的里程碑。随后，原子转移聚合(ATRP)和可逆加成一断裂一链转移聚合(RAFT)等活性聚合体系相继被发现。将活性聚合引入到辐射接枝中，可使接枝链的长短及在基材膜上分布均匀。
(2)粉体接枝
在聚合物基材膜上接枝，可能会遇到单体仅在基材膜表面接枝，而内部得不到接枝的情况，这样即使接枝率高，但电导率低。为了避免这一缺陷，可以先在粉体上接枝，然后采用溶液相转移法、热致相转移法等方法制备成接枝膜。但是，接枝率高到一定程度后，接枝共聚物转变为不溶不熔的高分子物质，难以将粉体制成膜。
辐射源
辐射源有γ射线和X射线、电子束、中子束和重离子束等。前两者为电磁辐射源，后三者为粒子辐射源。被辐照的物质吸收辐射能后产生次级电子与物质分子相互作用引发化学反应。聚合物受辐照后可产生交联和降解两种辐射效应，而在聚合物受辐照后引入单体或聚合物与单体一起辐照，则单体可在聚合物上形成接枝链，得到接枝共聚物。
新闻来源：中国科学技术大学
