This work describes how the water channel of Nafion changes depending on pretreatment and how the size of it affects the transport behavior of anions. Nafion membranes have been widely used in many electrochemical device as a typical cation exchange membrane. This study demonstrates that pretreatment increases anion transport as well as cation and water transport. Nafion212 was pretreated at various temperature conditions in order to investigate the effect of pretreatment. Small angle X-ray scattering results of the pretreated Nafion 212 membranes indicate the expansion of water cluster in the pretreated Nafion 212 membrane and support the understanding of increased water uptake, swelling ratio and ionic conductivity as the pretreatment temperature increased. The ion chromatography and ion transference number were measured for transport behavior of anion. The result clearly indicates that the Nafion with high water content leads to enhanced anion transfer. The correlation between the anion transport mechanism and the size of the water channel size was described in detail. The improved bi-ionic transport significantly reduces anion concentration gradient on both side of Naifon membrane, leading to successful cell operation. Consequently, as an effect of low bromine permeability and low area specific resistance, the pretreated Nafion 212 membrane presents 11.3% improvement in energy efficiency.
이 연구는 나피온 내의 이온채널이 전처리 조건에 따라 어떻게 변화하는지, 그리고 그 크기가 음이온의 이동에 어떻게 영향을 미치는 지에 대해 설명한다. 전형적인 양이온 교환막인 나피온 막에 전처리 과정을 도입하면 양이온과 물의 이동을 증가될 뿐만 아니라 음이온의 전달도 증가된다는 것을 보여준다. 전처리의 효과를 확인하기 위하여 Nafion 212를 다양한 온도 조건에서 전처리 하였다. SAXS 분석을 통해 더 높은 온도에서 전처리 될 때 나피온 내의 이온채널이 더 크게 확장되는 것을 확인하였고, 이는 더 크게 증가하는 물 흡수율 및 막 팽창률, 이온전도도 결과와 현저하게 감소한 면적비저항에 대한 이해를 돕는다. 이온 크로마토그래프 분석 및 이온 이동수 측정으로 전처리 후 음이온의 이동이 증가한 것을 확인하였고, 이온채널의 크기와 음이온의 이동 메커니즘에 대한 고찰을 상세히 기술하였다. 향상된 음이온의 이동은 나피온 막 양쪽에서 음이온의 농도구배를 감소시켜 과전압을 현저히 감소시켰고, 이를 통해 징크브롬 레독스 흐름 전지가 성공적으로 구동되었다. 결과적으로 전처리 한 Nafion 212 사용 시 낮은 브롬 투과율과 면적비저항의 효과로 기존 분리막인 SF-600에 대비하여 11.3% 높은 에너지 효율을 보였다.