Date asociate

Abstract

1. Introducere

Separarea de fază indusă de solvent (NIPS) este o metodă studiată pe scară largă pentru sinteza unei membrane poroase PBI. A fost aplicat diferiților polimeri din domeniile nanofiltrării, separării și osmozei inverse [26,27,28]. În plus, NIPS produce structuri de pori mai mari decât alte metode disponibile. De asemenea, este ușor de controlat și potrivit pentru PBI și alte aplicații [29,30,31]. Membranele poroase sintetizate prin NIPS prezintă o absorbție excelentă a acidului, care se corelează direct cu conductivitatea lor de protoni. Din câte știm, membranele sintetizate prin această metodă pentru un sistem de celule de combustibil la temperatură înaltă care utilizează PA nu au fost raportate până în prezent [32,33,34]. Testarea inițială a indicat absorbția extrem de mare a PA, rezultând dizolvarea membranei la temperaturi ridicate, similară cu cea dintr-un solvent [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32, 33,34,35]. Pentru a depăși acest lucru, membranele sunt reticulate pentru a-și îmbunătăți stabilitatea și a reduce semnificativ solubilitatea [36,37,38,39,40]. Cu toate acestea, în timpul fazei de turnare a filmului sunt realizate mai multe abordări pentru reticulare, care pot interfera cu procesul NIPS. Astfel, metoda ideală de reticulare termică este o abordare adecvată pentru a depăși dizolvarea membranei, deoarece poate fi efectuată după fabricarea membranei [41,42,43].

polibenzimidazol

În această lucrare, sintetizăm membrane poroase meta-PBI (m-PBI) prin NIPS. M-PBI a fost ales în comparație cu alți candidați, cum ar fi p-PBI, deoarece solubilitatea lor inerent redusă a împiedicat procesul de fabricare a membranei poroase. Analizele chimice și morfologice ale membranelor sintetizate au fost efectuate folosind spectroscopia în infraroșu transformată Fourier (FT-IR), analiza termogravimetrică (TGA) și microscopia electronică cu scanare (SEM), pentru a optimiza și evalua reticularea și performanța prin interacțiuni cu PA . Mai mult, dopajul PA și umflarea au fost caracterizate prin testarea nivelului de dopaj. Performanța membranei pentru aplicare în HT-PEMFC a fost evaluată pe baza conductivității protonilor utilizând un analizor de impedanță. Mai mult, ansamblul electrodului cu membrană (MEA) a fost realizat pentru a determina performanța cu o singură celulă a membranei.

2. Experimental

2.1. Materiale

Pentru sinteza m-PBI, acidul izoftalic (IPA) și acidul polifosforic (PPA, 115%) au fost cumpărate de la Sigma Aldrich (St. Louis, MI, SUA). Mai mult, 3,3'-diaminobenzidina (DAB) a fost achiziționată de la TCI Chemicals (Tokyo, Japonia). Carbonatul de sodiu (Na2CO3), dimetilacetamida (DMAc), acetonă și alcool izopropilic au fost cumpărate de la DUKSAN Chemical (Seul, Coreea de Sud). Apa deionizată (DI) a fost obținută dintr-un sistem de purificare a apei Milli-Q Ultrapure. Pentru dopajul acid al membranelor și fabricarea MEA, PA (85% în greutate în H2O) a fost achiziționat de la Sigma Aldrich. Pentru fabricarea MEA, politetrafluoretilena (PTFE, 60% în greutate în H2O) ca liant a fost cumpărat de la Sigma Aldrich, iar Pt/C (40% în greutate pe carbon) a fost achiziționat de la Alfa Aesar (Ward Hill, MA, SUA). O pânză de carbon (HT1400W, BASF) a fost utilizată ca strat de difuzie a gazului. Toți reactivii utilizați în această lucrare au fost folosiți ca primiți fără alte purificări.

2.2. Sinteza m-PBI

M-PBI a fost sintetizat prin metoda policondensării, care a fost raportată de Kumbharkar și colab. [35], cu ajustări minore. Reacția generală este descrisă în Figura 1 A. Într-un balon cu trei gâturi cu agitator mecanic, termometru și intrare de azot, DAB (2,165 g) a fost dizolvat în PPA (75 g) la 120 ° C. La această soluție s-a adăugat apoi IPA (1.678 g), iar temperatura a fost mărită la 200 ° C. Soluția a fost agitată timp de 12 ore, timp în care vâscozitatea sa a crescut treptat odată cu timpul de sinteză. Soluția a fost apoi turnată în apă DI și a fost spălată consecutiv până a devenit neutră. După aceea, precipitatele au fost menținute în soluție apoasă de Na2CO3 10% timp de 12 ore pentru a îndepărta orice PPA rezidual din matricea polimerică. În cele din urmă, precipitatele au fost colectate și uscate în vid la 80 ° C timp de trei zile pentru a îndepărta orice urmă de apă.