Блог

Jun 24, 2023

Повышенные характеристики нанокомпозитной мембраны, разработанной на основе сульфированного поли(1, 4

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8238 (2023) Цитировать эту статью

209 доступов

Подробности о метриках

Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) вызвали большой интерес и используют металлоорганические каркасы (MOF)/полимерные нанокомпозитные мембраны. Цеолит-имидазольный каркас-90 (ЗИФ-90) был использован в качестве добавки к сульфированной матрице поли(1,4-фениленэфир-эфир-сульфон) (SPEES) для исследования протонной проводимости в новой нанокомпозитной мембране, изготовленной из SPEES. / ЗИФ. Высокая пористость, свободная поверхность и наличие альдегидной группы в наноструктуре ЗИФ-90 оказывают существенное влияние на повышение механических, химических, тепловых и протонных проводимостей нанокомпозитных мембран SPEES/ZIF-90. Результаты показывают, что использование нанокомпозитных мембран SPEES/ZIF-90 с 3 вес.% ZIF-90 привело к увеличению протонной проводимости до 160 мСм/см при 90 °C и относительной влажности (RH) 98%. Это значительное улучшение по сравнению с мембраной SPEES, которая продемонстрировала протонную проводимость 55 мСм/см в тех же условиях, что указывает на увеличение производительности в 1,9 раза. Кроме того, мембрана SPEES/ZIF-90/3 продемонстрировала значительное улучшение максимальной удельной мощности на 79%, достигнув значения 0,52 Вт/см2 при 0,5 В и относительной влажности 98%, что на 79% выше, чем у исходной мембраны SPEES. .

Негативное воздействие широкого использования ископаемого топлива на окружающую среду, особенно в отношении изменения климата, привело к значительным усилиям по выявлению и реализации осуществимых и устойчивых альтернатив. В результате все больше внимания уделяется исследованию и использованию экологически чистых возобновляемых источников энергии, включая водород. Одной из систем производства энергии, использующей водородное топливо, являются топливные элементы1. Исследователи проявили интерес к топливному элементу с протонообменной мембраной (PEMFC) как к зеленой энергетической технологии среди различных топливных элементов из-за ее отличительных особенностей и преимуществ. Эти преимущества включают высокую скорость запуска, эффективность и плотность тока, а также низкую рабочую температуру и работу без выбросов2. Фактически, одной из наиболее важных частей PEMFC является протонообменная мембрана, которая напрямую определяет, будет ли топливный элемент работать успешно или нет. Поэтому подготовка подходящей мембраны для применения и ускорение процесса коммерциализации PEMFC была одной из основных целей многих исследователей3. В качестве альтернатив недавно был исследован ряд нефторированных полимеров, таких как сульфированный поли(эфирэфиркетон)4, сульфированный поли(фталазинонэфиркетон)5,6, поливиниловый спирт7 и сульфированный полиэфирсульфон8,9,10. коммерческому Нафиону. Было идентифицировано новое семейство координационных полимеров, известное как металлоорганические каркасы (MOF), которое состоит из металлических кластеров, прикрепленных к органическим лигандам, имеющим трехмерную кристаллическую структуру11. MOF имеют различные применения, такие как хранение, разделение и катализ, а также используются в качестве биологических носителей в медицине12,13,14,15. Среди различных применений большое количество MOF показали хороший потенциал для протонной и ионной проводимости16,17,18. MOF имеют высокую протонную проводимость благодаря своей очень гибкой конструкции, свободной поверхности и высокой пористости11,19. ZIF принадлежит к большому семейству MOF и создается путем присоединения иона двухвалентного металла (часто Zn2+) к четырем имидазольным анионным линкерам. Он обладает такими характеристиками, как очень большая площадь поверхности, отличная термическая и химическая стабильность, а также гибкая и контролируемая структура20,21. По мнению группы Чжана22, присутствие имидазольного кольца увеличивает протонную проводимость.

Таким образом, нанокомпозитные мембраны, представляющие собой комбинацию MOF и полимеров, являются одной из ярких перспектив в PEMFC11; потому что хорошие свойства MOF, включенных в полимер, приводят к производству новых нанокомпозитных мембран. Многочисленные сообщения о производстве новых нанокомпозитных мембран, сочетающих полимер и различные МОК, таких как ЗИФ-823,24,25,26, УИО-6627,28, ХКУСТ-129, ЦПО-27-Мг30, МИЛ-53-Ал30, МИЛ. -101(Cr)31,32 и MOF-80833.