Le membrane a scambio anionico (AEM, dall’inglese Anion Exchange Membranes) rappresentano un’innovazione significativa nel settore delle applicazioni elettrochimiche, in particolare nell’ambito dell’elettrolisi dell’acqua e delle celle a combustibile alcaline.
Struttura e Funzione delle Membrane
Queste membrane si caratterizzano per la presenza di gruppi funzionali carichi positivamente, come NH4+, NHR2+, NR3+, PR3+, e SR2+, che sono legati covalentemente a una matrice polimerica. Tale struttura permette il passaggio di anioni attraverso la membrana stessa. A seconda della composizione, si possono classificare come membrane a base di azoto, come l’ammonio quaternario, o privi di azoto, come il fosfonio, includendo anche cationi metallici come i complessi di rutenio.
I gruppi funzionali all’interno di queste membrane possono variare; alcuni possono presentarsi come fortemente basici, come l’ammonio terziario, mentre altri si trovano nella forma debolmente basica, come i gruppi amminici in diverse configurazioni. Ulteriori differenziali si trovano anche negli anioni che possono essere scambiati, i quali possono essere presenti sia in forma alcalina che non, con esempi che includono ioni come cloruro, solfato, ossidrile, e bicarbonato.
Oltre ai suddetti gruppi funzionali, anche la configurazione della catena polimerica riveste un’importanza fondamentale per la stabilità delle membrane in ambienti alcalini.
Applicazioni nelle Celle a Combustibile
Le celle a combustibile emergono tra le tecnologie energetiche rinnovabili come un metodo promettente grazie alla loro compatibilità ambientale e all’elevata efficienza energetica. Queste celle possono essere applicate nei settori del trasporto e dell’energia portatile, con diverse tipologie disponibili, inclusi la cella a combustibile alcalina (AFC) e la cella a combustibile a ossido solido (SOFC).
Nella ricerca scientifica, si è fatto progressi notevoli riguardo le membrane a scambio protonico per celle a combustibile, sebbene la loro commercializzazione sia ostacolata dai costi elevati, prevalentemente legati ai catalizzatori a base di platino. Le celle a combustibile che fanno uso di membrane a scambio anionico, al contrario, non richiedono l’uso di tali catalizzatori e possono migliorare le cinetiche di reazione nel contesto di ambienti alcalini.
Queste membrane a scambio anionico costituiscono il nucleo delle celle a combustibile a membrana a scambio anionico alcalino (AEMFC), cruciali per separare il combustibile e facilitare il trasferimento simultaneo di anioni.
Processo di Preparazione delle Membrane
Nel processo di sviluppo delle membrane a scambio anionico per AEMFC, alcuni requisiti fondamentali devono essere soddisfatti, come resistenza meccanica sufficiente, stabilità termica e chimica, e conduttività ionica. Le membrane possono essere prodotte attraverso varie metodologie, inclusa la polimerizzazione o la policondensazione di monomeri e l’introduzione di gruppi funzionali sullo scheletro polimerico, utilizzando polimeri di diverso tipo come il polistirene (PS) e l’alcol polivinilico (PVA).
I materiali per il trasporto di ioni all’interno delle membrane possono includere sostanze come l’imidazolo e la polisulfona. Questi polimeri permettono un effettivo passaggio di ioni e una buona funzionalità delle membrane stesse.
Innovazioni nell’Elettrolisi dell’Acqua
Il settore dell’elettrolisi dell’acqua ha visto crescere l’interesse verso l’uso di membrane a scambio anionico, offrendo la possibilità di produrre idrogeno verde, considerato uno dei vettori energetici più promettenti. L’elettrolisi comporta la scissione delle molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno, permettendo di immagazzinare energia sotto forma di idrogeno.
Le tecnologie attualmente disponibili comprendono, tra le altre, l’elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM) e l’elettrolisi alcalina. L’elettrolisi con membrane a scambio anionico riunisce i vantaggi di entrambe le metodologie, utilizzando materiali catalitici a basso costo e un’architettura polimerica solida. Negli elettrolizzatori a membrana a scambio anionico (AEMWE), si utilizzano catalizzatori di metalli non preziosi, il che contribuisce a una maggiore accessibilità e sostenibilità economica.
Gli sviluppi recenti nelle membrane a scambio anionico mostrano una forte propensione all’innovazione e ai miglioramenti tecnologici, con membrane reticolate che offrono stabilità meccanica e chimica elevate. Ad esempio, membrane come Sustainion hanno dimostrato prestazioni eccellenti quando impiegate in elettrolizzatori a base di catalizzatori non metallici, contribuendo a un futuro più sostenibile nel campo dell’energia rinnovabile.
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