21861

21861

تهيه و ارزيابي غشاهاي نانوكامپوزيتي پلي اتراتركتون سولفونه با اكسيدهاي فلزي آب دوست براي پيل هاي سوختي پليمري دما بالا

دكتري

مهندسي شيمي

1398/11/30

دكتر سوسن روشن ضمير

شيمي

افزايش همزمان هدايت پروتوني به همراه پايداري شيمياي يكي از مهمترين ملاحظات در ساخت غشاهاي تبادل پروتون است. با اين ديدگاه، تعدادي غشاي كامپوزيت بر پايه پلي¬اتراتركتون سولفونه (SPEEK) با افزودن سه نانوذره فلزي سولفاته: تيتانيا، زيركونيا و زيركونيا-تيتانيا ساخته شدند. نانوذرات با استفاده از روش سل-ژل تهيه شدند و با استفاده از آزمون پراش اشعه ايكس، آزمون پخش انرژي اشعه ايكس و مطالعات ميكروسكوپ الكتروني عبوري مورد ارزيابي قرار گرفتند. مقدار بهينه افزودن هريك از نانوذرات به غشا و زمان سولفوناسيون غشاها با استفاده از روش رويه پاسخ به¬دست آمد. مهمترين فاكتور تأثيرگذار بر مدل هدايت پروتوني درصد نانوذرات و مهمترين فاكتور تأثيرگذار بر مدل پايداري اكسيداتيو زمان سولفوناسيون بود. غشاهاي بهينه با استفاده از آزمون¬هاي ساختاري، ريخت شناسي، حرارتي، شيميايي و مكانيكي ارزيابي گرديدند. نتايج آزمون‌ها نشان داد كه حضور مقدار بهينه نانوذرات سولفاته در غشاي SPEEK باعث افزايش جذب آب با حفظ نرخ تورم در محدوده مناسب مي¬شود. غشاي نانوكامپوزيت SPEEK/STi در دماي ℃ 120 و رطوبت نسبي %100 داراي هدايت پروتوني S cm-1 10-3×35/37 بود كه 108 برابر هدايت پروتوني غشاي SPEEK اوليه در همين شرايط است. پايداري شيميايي اين غشاي نانو كامپوزيت نيز بيش از 300 دقيقه در محلول فنتون بدست آمد (اين مقدار براي غشاي SPEEK ساده كه تنها 48 دقيقه مي¬باشد). نتيجه عملكرد غشاي نانوكامپوزيت SPEEK/STi در پيل سوختي واحد آزمايشگاهي در دماي ℃90 و رطوبت نسبي %100 در حدود mW cm-2 281 بود كه به مقدار قابل توجهي بالاتر از عملكرد نمونه تجاري (mW cm-2 112) است. علاوه براين، نتايج عبور عرضي سوخت نشان داد كه غشاهاي نانوكامپوزيت خصوصاً غشاي SPEEK/SZrTi، به علت توزيع بهتر در شبكه پليمري، عبور عرضي هيدروژن بسيار ناچيزي در مقايسه با نمونه تجاري دارند كه بسيار براي حفظ مقاومت مكانيكي و شيميايي ضروري است. بطوركلي غشاهاي نانوكامپوزيت حاصل برپايه SPEEK با كانال‌هاي انتقال پروتون به خوبي توسعه يافته، عبور سوخت كمتر، خواص مكانيكي و شيميايي مطلوب‌تر و هدايت پروتوني بالاتر جايگزيني مناسب جهت استفاده در پيل سوختي در دماي بالاتر از ℃ 100 مي‌باشند.

1399/01/29

Synthesis and evaluation of Sulfonated poly (ether ether ketone) - based proton exchange membranes modified with metal oxides nanoparticles for high temperature fuel cell applications

2/19/2020 12:00:00 AM

Simultaneous high proton conductivity with high oxidative stability is one of the major concerns in the proton exchange membrane (PEM) preparation. With this perspective, series of hybrid membranes were prepared by doping an optimized amount of three sulfated metal oxides: titania, zirconia, and zirconia-titania, into the sulfonated poly ether ether ketone (SPEEK) matrix. The nanoparticles were synthesized using sol-gel method and specified by XRD, TEM, and EDS analysis. Two models for correlation of proton conductivity and oxidative stability (in Fenton solution) with two independent factors, including sulfonation time and the weight percent of the nanoparticle loading, were obtained by central composite design for each nanoparticle. The nanoparticle loading was found to be the more significant factor in the proton conductivity model, while the sulfonation time in the oxidative stability model was the main affecting factor. The optimal membranes were characterized through structural, morphological, thermochemical and mechanical tests. The results indicate that the introduction of the optimal contents of sulfated nanoparticle into the polymer matrix would improve the water uptake and consequently the proton conductivity at a higher temperature while keeping the swelling ratio at an acceptable range. The highest achieved proton conductivity by the resulted nanocomposite (SPEEK/STi) was 37.35 mS cm-1 at 120 ℃ with more than 300-minute durability in the Fenton's reagent. The single-cell performance test of nanocomposite based MEA at 90℃ and 100% RH exhibited a peak power density of 281 mW cm-2 at 601 mA cm-2, which was 1.5 times more than commercial MEA at the same condition. Acceptable dispersion of nanoparticle in the SPEEKmatrix causes negligible fuel crossover flux (e.g. 0.35×10-6 mmol s-1 cm-2 and12.49 × 10-6 mmol s-1 cm-2 for nanocomposite-based MEA and commercial MEA, respectively), which is indispensable to improve the mechanical and chemical stability. Accordingly, sulfated metal oxide nanocomposite SPEEK-based membranes are promising alternative polymer electrolyte membrane for fuel cell applications.