اثر افزودن پلی‌یورتان و نانوذرات سیلیکا بر خواص رسانندگی غشای پلی‌اتر سولفون سولفون‌دارشده

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 یزد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد یزد، گروه شیمی، صندوق پستی 8214810

2 شیراز، دانشگاه شیراز، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، بخش مهندسی شیمی، کد پستی 7193616511

چکیده

فرضیه: در سال‌های اخیر با توجه به کاهش منابع انرژی در دسترس، پیشرفت‌های شایان توجهی در زمینه مطالعه پیل‌های سوختی و به‌ویژه سلول‌های دارای متانول به‌عنوان منابع تأمین انرژی حاصل شده است. غشای الکترولیتی از اجزای مهم سلول‌های سوختی به‌شمار می‌آید که نقش انتقال پروتون و به‌دام انداختن متانول را ایفا می‌کند. غشای الکترولیتی باید پایداری شیمیایی و الکتروشیمیایی و نیز مقاومت مکانیکی زیادی را در شرایط عملیاتی داشته باشد. همچنین، رسانندگی پروتون زیاد برای عملکرد بهتر غشای پیل سوختی لازم است.
روش‌ها: در این پژوهش، غشاهای جدید نانوکامپوزیتی به‌عنوان الکترولیت برای کاربرد در سلول‌های سوختی تهیه شدند. بدین منظور، دو نوع غشا شامل پلی‌اترسولفون سولفون‌دارشده (SPES) و آمیخته‌ آن با پلی‌یورتان (PU) به‌عنوان غشاهای پایه انتخاب شدند. ابتدا، پلی‌اتر سولفون با استفاده از سولفونیک اسید، سولفون‌دار و با PU و(SPES/PU) آمیخته شد. سپس، نانوذرات سیلیکا با درصد‌های وزنی متفاوت (3، 5 و %8 وزنی) به غشای آمیخته‌ای (SPES/PU/SiO2) اضافه شدند. خواص غشاهای  تهیه‌شده با آزمون‌های طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR)، پراش پرتو X، گرماوزن‌سنجی، جذب آب و متانول، اندازه‌گیری رسانندگی پروتون و میکروسکوپی الکترونی پویشی بررسی شد.
یافته‌ها: نتایج توزیع مناسب PU را در غشاهای تهیه‌شده نشان داد که دلیل آن تشکیل پیوندهای هیدروژنی میان گروه‌های قطبی SPES و PU بوده است. از این‌رو، رسانندگی غشاهای آمیخته‌ای با سازوکار افزایش قطبیت نسبت به نمونه‌های خالص بدون افزایش شدید در جذب آب و متانول، %74 افزایش یافت. همچنین، افزودن نانوذرات سیلیکا به غشای آمیخته‌ای SEPS/PU و تهیه غشای نانوکامپوزیتی SPES/PU/SiO2، موجب تشکیل پیوند کووالانسی میان این ذرات با گروه‌های سولفونیک اسید در SPES، پیوند هیدروژنی با گروه‌های قطبی در SPES و PU و نیز چسبندگی
بیشتر میان فازها شد. در نتیجه، شکل‌شناسی غشای نانوکامپوزیتی با سازوکار کاهش حفره‌ها و فضاهای خالی اصلاح شد. در نهایت، رسانندگی غشای نانوکامپوزیتی نسبت به نمونه خالص SPES فقط با 11 و %8 افزایش به‌ترتیب در جذب آب و متانول، %53.13 افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Influence of Adding Polyurethane and Silica Nanoparticles on Conductivity Properties of Sulfonated Polyethersulfone Membrane

نویسندگان [English]

  • Yasamin Khosravi 1
  • Shadi Hassanajili 2
  • Mohammad Hosein Moslemin 1
  • Masumeh Tabatabaei 1
1 Department of Chemistry, Yazd Branch, Islamic Azad University, P.O. Box 8214810, Yazd, Iran
2 School of Chemical and Petroleum Engineering, Shiraz University, Postal Code 71348-51154, Shiraz, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: In recent years, with the shortage of conventional energy resources, there has been a great advancement in the study of fuel cells particularly hydrogen-methanol types as an important energy alternative. One of the main components in such fuel cells is an electrolyte membrane whose main function is to carry protons and capture methanol. The electrolyte membrane must have a high chemical and electrochemical stability plus mechanical resistance. In addition, high proton conductivity is required to support better fuel cell performance.
Methods: In this research, novel nanocomposite membranes were prepared as electrolyte for application in fuel cells. For this purpose, two types of membranes, including sulfonated polyethersulfone (SPES) and its blend with polyurethane (PU), were chosen as base membranes. At first, polyethersulfone was sulfonated by using sulfonic acid and blended with PU. Then, silica nanoparticles with different percentages (3, 5, and 8 wt%) were added to blend membrane (SPES/PU/SiO2). The prepared membranes properties were studied by Fourier transform spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction analysis, thermogravimetry (TGA), water and methanol uptake test, proton conductivity test and scanning electron microscopy (SEM).
Findings: The results suggested that there was a proper distribution of PU into the prepared membrane through forming hydrogen bonds between polar groups of SEPS and PU. Hence, by the mechanism of increasing polarity, the conductivity in SPES/PU blend membrane was increased (74%), comparing to its pure samples without intense increase in water and ethanol uptake. Additionally, by adding the silica nanoparticles to a SEPS/PU blend membrane and forming SPES/PU/SiO2 nanocomposite membrane, these particles formed a higher adhesion between the phases by forming covalent bonds with sulfonic acid groups of SPES and forming hydrogen bond with polar groups of PU and SPES. As a result, the morphology was modified by the mechanism of decreasing cavities and voidages. Finally, the conductivity of SPEC/PU/SiO2 nanocomposite membrane compared to that of the SPES pure sample increased by 53.13% only by an increase of 11% and 8% in water and methanol uptake, respectively.  

کلیدواژه‌ها [English]

  • membrane
  • direct methanol fuel cell
  • sulfonated polyethersulfone
  • polyurethane
  • silica nanoparticles
  1. Nunes S.P., Ruffmann B., Rikowski E., Vetter S., and Richau K., Inorganic Modification of Proton Conductive Polymer Membranes for Direct Methanol Fuel Cells, J. Member. Sci., 203, 215-225, 2002.
  2. Gaowen Z., Jiuxin J., and ianing L. J., High Proton Conducting SPEEK/SiO2/PWA Composite Membranes for Direct Methanol Fuel Cells, J. Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 26, 417-421, 2011.
  3. Khosravi Y., Hassanajili Sh., Moslemin M., and Tabatabaei M., Composite Membranes of Sulfonated Poly(ethersulfone)/1,1-Carbonyl diimidazole/1-(3-Aminopropyl)-Silane/Silica (SPES/CDI/AS/SiO2) for Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs), Korean J. Chem. Eng.,  34, 328-339, 2017.
  4. Ghazizadeh E., Hassanajili Sh., and Hojjati M.,Preparation of Gas Sensor Based on Polymer Nanocomposite for Qualitative Detection of Hydrogen Solfide, Iran. J. Polym. Sci.Technol. (Prsian), 29, 441-452, 2017.
  5. Semsarzadeh M.A. and Vakili E.,Preparation and Characterization of Polyurethane-Polydimethylsiloxan/Polyamide12-b-Polytetramethylene Glycol Blend Membranes for Gas Separation, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Prsian), 29, 337-348, 2013.
  6. Askari F., Motazaei M., Pourhossaini M.R., and Solimannia S.,Polyvinyl  Alcohol-sulfonated Polyethersulfone Blend for Application in Proton-Exchange Membrane, Iran. J. Polym. Sci.Technol. (Prsian), 29, 403-412, 2017.
  7. Modarresi A.R., Soleimani M., Pakseresht M., Farzaneh E., Zeraatkar V., Tabatabaei A.F., Shabzendedar S., and Movahedifar F.,Preparation of New Conductive Nanocomposites of Polyaniline and Silica Under Solid-State Condition, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Prsian),   29, 387-398, 2017.
  8. Amedi H.R and Aghajani M., Functionalized Zeolitic-Imidazole Frameworks-8 Based Poly(ether-b-amide) Nanocomposite Membrane for Carbon Dioxide/Methane Gas Separation: Synthesis and Characterization, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Prsian), 31, 3-14, 2018.
  9. Amjadi M., Rowshanzamir S., and Eikani M.H., The role of Reaction Parameter on Leaching of SiO2 Doped Nafion Membrane for Use in High Temperature PEM Fuel Cells, Iran. J. Polym. Sci.Technol. (Prsian), 23, 111-120, 2010.
  10. Gahlot S., Sharma P.P., Gapta H., Kulshrestha V., and Jha P.K., Preparation of Grapheme Oxide Nano-Composite Ion-Exchange Membranes for Desalination Application, RSC Adv,. 4, 24662-24670, 2014.
  11. Heo Y., Im H., and Kim J., The Effect of Sulfonated Graphene Oxide on Sulfonated Poly(ether ether ketone) Membrane for Direct Methanol Fuel Cells, J. Member. Sci., 425, 11-22, 2013.
  12. Park S.M., Choi Y.W., Yang T.H., Park J.S., and Kim S.H., A Study on Sulfonated Poly (arylene ether sulfone) Membranes Containing Two Different Types of SiO2 for a High Temperature and Low-Humidified Polymer Electrolyte Fuel Cell, Korean J. Chem. Eng., 30, 87-94, 2013.
  13. Zinadini S., Zinatizadeh A.A., Rahimi M., Vatanpour V., and Zangeneh H., Pervaporation  of a Novel Antifouling Mixed PES Membrane by Embedding Graphene Oxide Nanoplates, J. Membr.Sci., 453, 292-301, 2014.
  14. Wen S., Gong C., Tsen W.C., Shu Y.C., and Tsai F.C., Sulfonated Poly(ether sulfone)/Silica Composite Membranes for Direct Methanol Fuel Cells, J, Appl. Polym. Sci.,116, 1491-1498, 2010.
  15. Di Vonaa M.L., Sgrecciaa E., Tamilvanana M., Khadhraouib M., Chassigneuxb C., and Knauthb P., High Ionic Exchange Capacity Poly (phenyl sulfone) (SPPSU) and Poly (ether sulfone) (SPES) Cross-Linked by Annealing Treatment: Thermal Stability, Hydration Level and Mechanical Properties, J. Membr. Sci., 354, 134-141, 2010.
  16. Gahlot S., Sharma P.P., Bhil B.M., Gupta H., and Kulshrestha V., GO/SGO based SPES Composite Membranes for the Removal of Water by Pervaporation Separation, Macromol. Symp, 357, 189-193, 2015.
  17. EbadiAmooghin A., Kargari A., and Omidkhah M. R., The Effects of Aminosiilane Grafting on NaY Zeolite-Matrimid@5218 Mixed Matrix Membranes for CO2/CH4 Separation, J. Membr. Sci., 490, 364-379, 2015.
  18. Hassanajili Sh., Khademi M.A., and Keshavarz P., Influence of Various Types of Silica Nanoparticles on Permeation Properties of Polyurethane/Silica Mixed Matrix Membranes, J. Membr. Sci., 453, 369-383, 2014.
  19. Gahlot S., Sharma P.P., Kulshrestha V., and Jha P.K., SGO/SPES-Based Highly Conducting Polymer Electrolyte Membranes for Fuel Cell Application, J. ACS Appl. Mater. Interfaces., 6, 5595-5601, 2014.
  20. Sahu A.K., Selvarani G., Pitchumani S., Sridhar P., and Shukla A.K., A Sol-Gel Modified Alternative Nafion-Silica Composite Membrane for Polymer Electrolyte Fuel Cells, J. Electrochemical Society., 154, B123-B132, 2007.
  21. Livage J., A Thorough Assessment of the Critical Advances in Processing, Characterization and Biological Applications of Sol-Gel Materials, Solid State Mater. Sci., 2, 132, 1997.
  22. Maranesi B., Hou H., Polini R., Sgreccia E., Alberti G., Narducci R., Knauth P., and Vona M.L., Cross-Linking of Sulfonated Poly(ether ether ketone) by Thermal Treatment, Fuel, 2, 107-117, 2013.
  23. Filip D., and Macocinschi D., Thermogravimetric Analysis of Polyurethane–Polysulfone Blends, J. Polym. Int., 51, 699-706, 2002.
  24. Saedi Sh.,  Madaeni S.S.,  Hassanzadeh K., Arabi Shamsabadi A., and Laki S., The Effect of Polyurethane on the Structure and Performance of PES Membrane for Separation of Carbon Dioxide from Methane, J. Ind. Eng. Chem.,1547, 1-14, 2013.
  25. Mabrouk W., Ogier L., Vidal S., Sollogoub C., Matoussi F., and Fauvarque J.F., Ion Exchange Membranes Based Upon Crosslinked Sulfonated Polyethersulfone for Electrochemical Applications, J. Membr. Sci., 452, 263-270, 2013.
  26. Weng S., Gong C., Tsen W.C., Shu Y.C., Tsai F.C., and Yeh J.T., Sulfonated Poly(ether sulfone)/Phosphotungstic acid/ Attapulgite Composite Membranes for Direct Methanol Fuel Cells, J. Appl. Polym. Sci., 123, 646-656, 2012.
  27. Vasanthakumari R., Design and Development of Thermoplastic Polyurethane Based Composite Membranes, Engineering and Technology, International Conference on Fuel Cell, USA, June 14-16, 2010.
  28. Kim D.S., Shin K.H., Park H.B., and Lee Y.M., Preparation and Characterization of Sulfonated Poly (phthalazinone ether sulfone ketone) (SPPESK)/Silica Hybrid Membranes for Direct Methanol Fuel Cell Applications, J. Macromolecular Research., 12, 413-421, 2004.
  29. Dolatzadeh F., Moradian S., and Jalili M.M., Influence of Various Surface Treated Silica Nanoparticles on the Electrochemical Properties of SiO2/Polyurethane Nanocoatings, Corros.Sci., 53, 4248-4257, 2011.
  30. Dutta K., Das S., and Kundu P.P., Low Methanol Permeable and Highly Selective Membranes Composed of Pure and/or Partially Sulfonated PVdF-Co-HFP and Polyaniline, J. Membr. Sci., 468, 42-51, 2014.
  31. Wang C.H., Chen C.C., Hsu H.C., Du H.Y., Chen C.P., Hwang J.Y., Chen L.C., Shih H.C., Stejskal J., and Chen K.H., Low Methanol-Permeable Polyaniline/Nafion Composite Membrane for Direct Methanol Fuel Cells, J. Power Sources., 190, 279-284, 2009.