Новый сульфированный поли(виниловый спирт)/карбоксиметилцеллюлоза/акриламид

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 22017 (2022) Цитировать эту статью

985 Доступов

2 цитаты

Подробности о метриках

Новые полиэлектролитические гибридные мембраны получают путем смешивания карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), поливинилового спирта (ПВС) и акриламида (АА). Янтарная кислота и хлорсульфоновая кислота (CSA) используются в качестве сшивающих агентов и модификаторов соответственно. Кроме того, карбоксилированные углеродные нанотрубки (CCNT) и сульфированный активированный уголь (SAC) используются в качестве наполнителей для достижения соответствующей химической и механической стабильности для использования в качестве полиэлектролитных мембран (PEM). КМЦ, ПВС и АК смешивают и обрабатывают CSA, CCNT и SAC в разных концентрациях. Сначала раствор КМЦ/ПВС/АА модифицируют с использованием CSA для получения сульфированной полимерной матрицы. Во-вторых, в качестве наполнителя добавлялось разное количество CCNT или SAC для повышения ионообменной емкости (IEC), ионной проводимости и химической стабильности. В-третьих, раствор представляет собой полиэлектролитические мембраны. Химические взаимодействия между КМЦ, ПВС, АК и другими компонентами мембраны были подтверждены с использованием различных методов определения характеристик, таких как спектроскопия комбинационного рассеяния света и инфракрасное преобразование Фурье (FTIR). Кроме того, механическая прочность, поглощение метанола, гель-фракция, ионообменная емкость (IEC), протонная проводимость (PC), химическая и термическая стабильность были определены как функции различных компонентов модификации мембраны. Результаты показывают, что увеличение CSA, CCNT и SAC приводит к увеличению значений IEC, достигая 1,54 ммоль/г для (CMC/PVA-4% CSA), 1,74 ммоль/г для (CMC/PVA-4%CSA-2% CCNT) и 2,31 ммоль/г для (CMC/PVA-4% CSA-2% SAC) по сравнению с 0,11 ммоль/г для немодифицированной CMC/PVA/AA мембраны. Последовательно значение протонной проводимости изменяется от 1 × 10–3 См/см у немодифицированной мембраны КМЦ/ПВС/АА до 0,082 См/см для (КМЦ/ПВС-4% CSA), 0,0984 См/см для (КМЦ /ПВС-4%CSA-2%CCNT) и 0,1050 См/см для (CMC/PVA-4% CSA-2% SAC). Такие результаты повышают потенциальную возможность использования модифицированного гибрида КМЦ/ПВС/АК в качестве полиэлектролитических мембран.

В настоящее время метанольные топливные элементы прямого действия (DMFC) представляют собой изобретательную альтернативу современным источникам энергии среди других типов топливных элементов (ТЭ). DMFC имел большое значение в последние несколько лет из-за его низкой рабочей температуры, высокой удельной мощности, высокой эффективности преобразования энергии и более дешевого топлива1. Скорее, DMFC считается одним из важных инструментов, которые принимают участие в переходе к углеродно-нейтральным операциям2.

Электролитическая мембрана – это рабочее сердце клетки, она отвечает за проведение протонов (Н+) от анодной части к катоду. Некоторыми важными характеристиками полиэлектролитической мембраны являются хорошие проводники протонов (H+), электрические изоляторы, очень низкий уровень перехода метанола, химическая стабильность и устойчивость в условиях эксплуатации элемента3.

Однако основным ограничением DMFC является выпадение метанола через электролитическую мембрану и производство высокореактивных полимерных электролитов с оптимальным управлением водными ресурсами. Кроме того, загрязнение является одной из проблем, которая может повлиять на полимерные мембраны4 из-за снижения их эффективности за счет блокировки мест связывания протонов. В частности, загрязнение топливными примесями или другими биологическими и химическими взаимодействиями5. Загрязненную полимерную мембрану необходимо подвергнуть восстановлению или заменить, это повысит экономическую эффективность. Рана и др.6 обнаружили, что добавление солей серебра к полимерной мембране приводит к улучшению противообрастающего эффекта.

В настоящее время Нафион® широко используется в качестве электролита в топливных элементах с мембраной из полимерного электролита (PEMFC), но его возможности ограничены проблемами перехода метанола и управления водными ресурсами7,8.

Полиэлектролитическая мембрана может быть изготовлена ​​с использованием различных типов полимеров после процесса модификации для улучшения желаемых свойств и улучшения их ионной проводимости. Модификация может быть осуществлена ​​посредством смешивания и/или химической обработки9. Введение неорганических материалов, таких как HAP10, CNT11 или GO12, в полиэлектролитические мембраны приводит к улучшению протонной проводимости и механической стабильности, а также к усилению барьерного эффекта, который является важным свойством предотвращения перехода топлива13.