ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Мета роботи – синтезувати полімерні та органо-неорганічні протонопровідні мембрани на основі водорозчинних акрилових мономерів та золь-гель прекурсорів і охарактеризувати їхні властивості. Матеріали, використані для дослідження: акрилонітрил (AN), акрилова кислота (АА), 3-сульфо-пропілакрилат калію (SPAK), тетраетоксисилан (TEOS), 3-метакрилоксипропілтриметоксисилан (МAPTMS), етиленглікольдиметакрилат (EGDMA), 2,2-диметокси-2-фенілацетофенон (DMPA) і ортофосфорна кислота (85 мас. %). Методи дослідження – імпедансна спектроскопія, вимірювання поглинання води та метанолу, лазерна інтерферометрія, SEM.

Протонопровідні полімерні та органо-неорганічні мембрани були синтезовані на основі акрилових мономерів та неорганічного компонента кремнезему, отриманого внаслідок золь-гель перетворення прекурсорів – тетраетоксисилану (ТЕОS) і 3-метакрилоксипропілтриметоксисилану (MAPTMS). AA, AN і SPAK були зшиті з допомогою УФ випромінювання у присутності фотоініціатора DMPA і зшиваючого агента EGDMA та одночасної гідролітичної поліконденсації золь-гель прекурсорів. Досліджено кінетику полімеризації in situ методом лазерної інтерферометрії. Характеристика мембран включає морфологію, поглинання метанолу та протонну провідність при різних температурах. Морфологія мембран, досліджена методом SEM, свідчить, що структура матеріалу є однорідною, без тріщин та видимого фазового розділення. Отримані мембрани демонструють низьке поглинання метанолу та високі значення протонної провідності (3.6·10^–3–9.6·10^–3 См/см), що робить їх перспективними для застосування у паливних елементах. Вимірювання кутів змочування дозволило оцінити вільну поверхневу енергію мембран. 

Запропонований метод УФ-ініційованої полімеризації in situ дозволяє одержати зшиті сульфовмісні полімерні і гібридні полімер-неорганічні матеріали, які мають комплекс властивостей, що забезпечують потенційне застосування їх у метанольних паливних елементах. 

1. Winter M., Brodd R.J. What are batteries, fuel cells, and supercapacitors? Chem. Rev. 2004. 104(10): 4245. https://doi.org/10.1021/cr020730k

2. Yun-Sheng Ye, John Rick, Bing-Joe Hwang. Water soluble polymers as proton exchange membranes for fuel cells. Polymers. 2012. 4(2): 913. https://doi.org/10.3390/polym4020913

3. Dillon R., Srinivasan S., Arico A.S., Antonucci V. International activities in DMFC R&D: status of technologies and potential applications. J. Power Sources. 2004. 127(1–2): 112. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2003.09.032

4. Bolto B., Gregory J. Organic polyelectrolytes in water treatment. Water Res. 2007. 41(11): 2301. https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.03.012

5. Bai H., Ho W.S.W. New poly(ethylene oxide) soft segment-containing sulfonated polyimide copolymers for high temperature proton-exchange membrane fuel cells. J. Membr. Sci. 2008. 313(1–2): 5. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2007.12.062

6. Lee S., Jang W., Choi S., Tharanikkarasu K., Shul Y., Han H. Sulfonated polyimide and poly (ethylene glycol) diacrylate based semi-interpenetrating polymer network membranes for fuel cells. J. Appl. Polym. Sci. 2007. 104(5): 2965. https://doi.org/10.1002/app.25966

7. Kerres J.A. Development of ionomer membranes for fuel cells. J. Membr. Sci. 2001. 185(1): 3. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(00)00631-1

8. Huang Y.F., Chuang L.C., Kannan A.M., Lin C.W. Proton-conducting membranes with high selectivity from cross-linked poly(vinyl alcohol) and poly(vinyl pyrrolidone) for direct methanol fuel cell applications. J. Power Sources. 2009. 186(1): 22. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.09.072

9. Shylova O.A., Shylov V.V. Nanocomposite oxide and hybrid organo-inorganic materials, obtained by sol-gel method. Synthesis. Properties. Application. Nanosystems, nanomaterials, nanotechnologies. 2003. 1(1): 9.

10. Gurtekin M., Kayaman-Apohan N., Kahraman M.V., Menceloglu Y., Gungor A. UV curable sulfonated hybrid materials and their performance as proton exchange membranes. React. Funct. Polym. 2009. 69(9): 698. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2009.05.004

11. Qiu Y., Park K. Superporous IPN hydrogels having enhanced mechanical properties. AAPS Pharm. Sci. Tech. 2003. 4(4): 406. https://doi.org/10.1208/pt040451

12. Diao H., Yan F., Qiu L., Lu J., Lu X., Lin B., Li Q., Shang S., Liu W., Liu J. High performance cross-linked poly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid)-based proton exchange membranes for fuel cells. Macromolecules. 2010. 43(15): 6398. https://doi.org/10.1021/ma1010099

13. Aparicio M., Mosa J., Etienne M., Duran A. Proton-conducting methacrylate-silica sol-gel membranes containing tungstophosphoric acid. J. Power Sources. 2005. 145(2): 231. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.01.071