美国Versogen 阴离子交换膜AEM-电化学耗材

美国Versogen是阴离子交换膜(Anion Exchange Membrane)和AEM水电解电堆研发与制造公司。公司位于美国特拉华州威名顿市，坐落于环境优美的杜邦实验科学站。杜邦实验科学站设施完备，专家齐全，是众多传奇*材料的摇篮、化工科研者的圣地，为Versogen的成长与发展夯实了基础。

Versogen 公司的核心产品是 PiperION 阴离子交换膜，目前已广泛应用于 AEM水电解制氢、氢燃料电池、二氧化碳还原等。作为电化学反应中的固态电解质和隔离膜，PiperION 阴离子交换膜能选择性的透过阴离子，并阻隔阳离子、电子以及气体的穿透。具有离子传导率高(150 mS/cm, OH-, 80℃)，碱稳定性高(8000+ h, 1 M KOH, 80℃)和机械强度高 (67 MPa stress, 117% strain)的特点。

美国Versogen 阴离子交换膜AEM-电化学耗材 

Versogen 自支撑阴离子膜（VersogenSelf-SupportingAEMs）目前有 15μm、20μm、32μm、 40μm、60μm、80μm 六种厚度。

1.1 PiperION-A80-HCO3阴离子膜

一款基于聚芳环哌啶(PAP, PolyArylPiperidinium)的有机高分子膜，结合了高强度的芳环主链与耐强碱的二甲基哌啶离子官能团，是专门为水电解制氢应用开发的80μm高强度自支撑阴离子交换膜。更高的厚度能在不牺牲电化学性能的前提下(1.8V@1.9A/cm², 1 MKOH, 80℃)，实现直接生产高纯高压氢气(99.9995%, 30bar)，并且具有极低的氢气渗透率 (1×10-13mol/(KPa·s·cm),为Nafion质子交换膜的50%)，安全可靠。

1.2 PiperION-A40-HCO3阴离子膜

一款自支撑阴离子交换膜因其出众的离子传导率和强韧的机械性能，广泛应用于二氧化碳还原等电化学电解槽中。40μm的厚度能从容应对电解槽中表面粗糙的金属气体扩散电极(GDE, GasDiffusionElectrode)，超高的离子传导率保证了电解槽效率不减，稳定的机械强度可以轻松适应自动化装配。

1.3 PiperION-A20-HCO3阴离子膜

一款自支撑阴离子交换膜，较之于目前市场上其他阴离子交换膜，因其超薄的厚度(20μm)以及碳酸氢根阴离子形式，能直接应用于AEM氢燃料电池中，无需繁杂的碱处理操作，可以有效地简化电堆的组装工艺，为氢燃料电池提供持久强劲的电力。

1.4 Versogen复合阴离子膜

Versogen复合阴离子膜（AEMs），是由功能化聚芳基哌啶树脂材料和微孔ePTFE载体制成的。微孔ePTFE显著提高了阴离子膜的机械稳定性。由于膜的一部分是惰性的，没有功能化树脂材料，因此复合膜的离子导电性通常比具有相同厚度的自支撑膜要低，机械增强膜也称为增强复合膜，是加压应用的理想选择。

1.5 PiperION-A15R-HCO3阴离子膜

这款复合阴离子交换膜在超薄自支撑膜的基础上加入高度稳定的微孔ePTFE载体，进一步降低膜的厚度到15μm。复合膜具有更低的面积电阻率和更高的形变稳定性，在环境湿度变化时能保持更高的平整性，适用于追求高性能AEM燃料电池的应用以及自动化生产线。

膜的运输和处理

1.1 膜的运输

离子膜附着在刚性基板载体上，薄膜卷用塑料包裹着，拆卸外部塑料时，确保不要刺穿刚性基板。膜是干燥的，以碳酸氢盐的形式运输和储存，薄膜上有一个具有厚度、尺寸和样品ID的标签。

1.2  膜的处理

膜以干燥的碳酸氢盐的形式运输：未使用时，将膜保持在提供的包装内。打开膜后仅供直接使用。暴露在空气中会导致膜吸水，从而导致膜起皱和膨胀。在干净、无尘的区域存放、搬运和处理该膜，触摸时必须佩戴手套，因为皮肤上的盐会将不需要的阴离子（如Cl^-）污染离子膜，若要使用该离子膜，请取下盖板。然后，将薄膜和背板一起切割到所需的尺寸，小心地从背衬板上抽出膜。更换剩余隔膜上的盖板。

要从背板上去除膜，请参考下图中所述的步骤。如果使用标准程序去除膜有困难，请用去离子水弄湿纸巾并擦拭膜。膜会轻微褶皱，从背板分离。由于此程序会导致膜内起皱，因此只有在难以按照标准步骤剥离背板上的膜时才能使用。

请务必小心处理，避免折叠或覆盖膜导致离子膜破裂！！！

膜的预处理

如果可以，使用前将膜在环境条件下放置1小时，去除盖板。对于氢氧化物交换膜燃料电池/电解应用，膜应从碳酸氢盐形式转化为OH^-型，以获得最佳的电导率。

要将膜转化为OH^-型，请将膜置于 0.5M 氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液中，在室温下放置1小时。1小时后，用新鲜的0.5M氢氧化钠或氢氧化钾更换溶液，并使膜在室温下再次浸泡1小时。两次浸泡后，用去离子水冲洗滤膜（pH～7）。尽量减少暴露在环境空气中，因为膜可以吸收CO₂，导致膜转化为碳酸氢盐形式。

如果不允许将膜浸入水基中，可以通过缓慢增加通过膜的电流，将所有碳酸氢盐转化为氢氧化物。在转化期间，电导率的增加是膜中的氢氧化氢取代碳酸氢盐的指标,为了获得最佳性能，建议采用基础浸入式和磨合程序。

注意：避免OH^-型的膜干燥。干燥条件下的长期储存应采用碳酸氢盐形式。

应用实例

1.1 AEM水电解

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

doi.org/10.1021/acscatal.0c04200

结合Versogen的新型镍-铁阴极催化剂与PiperION阴离子膜，实现纯水高效电解制氢达到单电池1020 mAcm^-2电密与1.8V电压。为低成本规模生产绿氢打下科研基础。

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

doi.org/10.1021/acsami.1c06053

基于全商用材料的纯水水电解制氢对比研究，PiperION阴离子交换膜实现单电池1Acm^-2电密与 1.9 V 电压，在性能与稳定性上都超过对比的商用阴离子交换膜。

1.2 燃料电池

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 阴离子交换膜及交换树脂报道于 NatureEnergy 杂志并获得美国U.Spatent 10,290,890。在使用低铂载量阴极催化剂，银纳米阳极催化剂和氢/空条件下实现 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阴离子交换膜的氢燃料电池实现 1.89 Wcm^-2 的氢/氧最高功率密度和 1.31 W cm^-2的氢/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

通过优化背压与阳极催化剂，基于PiperION 阴离子交换膜的直接氨氧燃料电池创造了 390 mW cm^-2功率密度的高性能记录。

1.3 CO₂还原 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阴离子交换膜的零间隙CO₂电解还原电池，得益于PiperION的高离子传导率，实现高性能(j＞1A/cm²)，高转化率(45%)与高选择性(90%)的CO还原生成CO。为CO₂其工业化应用奠定基础，变废为宝。

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电解还原电池(活性面积=100cm²)机理与稳定性研究，PiperION阴离子交换膜表现出远超对手的高性能与高稳定性，具有商业化应用前景。

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