پديد آورندگان :
خسروي، ياسمين دانشگاه آزاد اسلامي واحد يزد - گروه شيمي، يزد , حسن آجيلي، شادي دانشگاه شيراز - دانشكده مهندسي شيمي - نفت و گاز، بخش مهندسي شيمي، شيراز , مسلمين، محمدحسين دانشگاه آزاد اسلامي واحد يزد - گروه شيمي، يزد , طباطبايي، معصومه دانشگاه آزاد اسلامي واحد يزد - گروه شيمي، يزد
كليدواژه :
غشا , پيل سوختي , پلي‌اتر سولفون سولفون‌دارشده , پلي‌يورتان , نانوذرات سيليكا
چكيده فارسي :
فرضيه: در سال‌هاي اخير با توجه به كاهش منابع انرژي در دسترس، پيشرفت‌هاي شايان توجهي در زمينه مطالعه پيل‌هاي سوختي و به‌ويژه سلول‌هاي داراي متانول به‌عنوان منابع تأمين انرژي حاصل شده است. غشاي الكتروليتي از اجزاي مهم سلول‌هاي سوختي به‌شمار مي‌آيد كه نقش انتقال پروتون و به‌دام انداختن متانول را ايفا مي‌كند. غشاي الكتروليتي بايد پايداري شيميايي و الكتروشيميايي و نيز مقاومت مكانيكي زيادي را در شرايط عملياتي داشته باشد. همچنين، رسانندگي پروتون زياد براي عملكرد بهتر غشاي پيل سوختي لازم است.
روش‌ها: در اين پژوهش، غشاهاي جديد نانوكامپوزيتي به‌عنوان الكتروليت براي كاربرد در سلول‌هاي سوختي تهيه شدند. بدين منظور، دو نوع غشا شامل پلي‌اترسولفون سولفون‌دارشده (SPES) و آميخته آن با پلي‌يورتان (PU) به‌عنوان غشاهاي پايه انتخاب شدند. ابتدا، پلي‌اتر سولفون با استفاده از سولفونيك اسيد، سولفون‌دار و با PU و(SPES/PU) آميخته شد. سپس، نانوذرات سيليكا با درصد‌هاي وزني متفاوت (3، 5 و %8 وزني) به غشاي آميخته‌اي (SPES/PU/SiO2) اضافه شدند. خواص غشاهاي تهيه‌شده با آزمون‌هاي طيف‌سنجي زيرقرمز تبديل فوريه (FTIR)، پراش پرتو X، گرماوزن‌سنجي، جذب آب و متانول، اندازه‌گيري رسانندگي پروتون و ميكروسكوپي الكتروني پويشي بررسي شد.
يافته‌ها: نتايج توزيع مناسب PU را در غشاهاي تهيه‌شده نشان داد كه دليل آن تشكيل پيوندهاي هيدروژني ميان گروه‌هاي قطبي SPES و PU بوده است. از اين‌رو، رسانندگي غشاهاي آميخته‌اي با سازوكار افزايش قطبيت نسبت به نمونه‌هاي خالص بدون افزايش شديد در جذب آب و متانول، %74 افزايش يافت. همچنين، افزودن نانوذرات سيليكا به غشاي آميخته‌اي SEPS/PU و تهيه غشاي نانوكامپوزيتي SPES/PU/SiO2، موجب تشكيل پيوند كووالانسي ميان اين ذرات با گروه‌هاي سولفونيك اسيد در SPES، پيوند هيدروژني با گروه‌هاي قطبي در SPES و PU و نيز چسبندگي
بيشتر ميان فازها شد. در نتيجه، شكل‌شناسي غشاي نانوكامپوزيتي با سازوكار كاهش حفره‌ها و فضاهاي خالي اصلاح شد. در نهايت، رسانندگي غشاي نانوكامپوزيتي نسبت به نمونه خالص SPES فقط با 11 و %8 افزايش به‌ترتيب در جذب آب و متانول، %53.13 افزايش يافت.
چكيده لاتين :
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.
