تهيه و ارزيابي غشاي پليمري نانوكامپوزيتي با اصلاح كننده هاي كاتاليستي براي پيل سوختي تبادل پروتون با هدف كاهش عوامل تخريبي

دكتري

در اين فعاليت پژوهشي، هدف بهبود دوام و پايداري شيميايي غشاهاي پلي اتر اتر كتون سولفونه (SPEEK) با استفاده از نانوذراتي با خاصيت كاتاليستي براي تجزيه عوامل مخرب شيميايي مي¬باشد. ابتدا، با هدف يافتن محدوده بهينه درجه سولفوناسيون كه غشاها داراي خواص شيميايي، مكانيكي و الكتروشيميايي مناسب باشند، نمونه¬هايي با درجات سولفوناسيون از 40% تا 89% تهيه شدند و مورد ارزيابي قرار گرفتند. غشاهاي با درجه سولفوناسيون بالاتر از 69% پايداري ابعادي و شيميايي بسيار پاييني داشتند در حالي¬كه غشاهاي با درجه سولفوناسيون كمتر از 60% پايداري مناسب اما هدايت پروتوني ضعيف داشتند. با توجه به نتايج كلي، غشاي SPEEK با درجه سولفوناسيون 65% به عنوان غشاي مرجع انتخاب شد و غشاهاي نانوكامپوزيتي با اين درجه سولفوناسيون بهينه تهيه شدند. نانوذرات پلاتين بر پايه سزيوم هتروپلي اسيد، زيركونيا، سريا و مخلوط اكسيدي سريا-زيركونيا سنتز و توسط تصاوير ميكروسكوپ الكتروني و آناليز پراش اشعه ايكس مشخصه¬يابي شدند و مورد استفاده قرار گرفته¬اند. سپس، با استفاده از روش قالب¬ريزي محلول، غشاهاي نانوكامپوزيتي SPEEK با ميزان بارگذاري¬هاي مختلف از انواع نانوذرات، تهيه و مورد ارزيابي قرار گرفتند. انواع غشاهاي تهيه شده با استفاده از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني، ظرفيت تبادل يون، ميزان جذب آب، اندازه¬گيري هدايت پروتوني در دماهاي مختلف، آزمون استحكام كششي، آزمون وزن¬سنجي حرارتي، آزمون پايداري در محيط آبي و آزمون دوام شيميايي برون محلي در محلول شيميايي فنتون مورد ارزيابي قرار گرفتند. پس از آن، مجموعه¬هاي الكترود-غشاهاي مختلف براي انواع غشاها تهيه شد و آزمون عملكردي در سامانه پيل سوختي تبادل پروتون براي آن¬ها انجام شد. در نهايت، به منظور بررسي دوام شيميايي انواع غشاهاي تهيه شده، مطابق با معاهده¬هاي بين¬المللي آزمون درون محلي تخريب تسريع يافته ولتاژ مدار باز در شرايط بسيار مخرب در سامانه پيل سوختي و براي مدت 230 ساعت براي انواع غشاها انجام شد. نتايج آزمون تخريب تسريع يافته در سامانه پيل سوختي بر روي غشاهاي نانوكامپوزيتي با نانوذرات پلاتين بر پايه سزيوم هتروپلي اسيد بيانگر دوام شيميايي بسيار خوبي براي غشاي با 15% از نانوذرات (8% افت ولتاژ) نسبت به غشاي SPEEK خالص (24% افت ولتاژ) بود. ارزيابي غشاهاي نانوكامپوزيتي با درصد بارگذاري¬هاي مختلف 5/2%، 5%، 5/7% و 10% از نانوذرات زيركونيا و سريا بيانگر افزايش ميزان جذب آب، كاهش هدايت پروتوني در دماهاي كمتر ازoC 100 و بهبود هدايت در دماهايي بالاتر، بهبود استحكام مكانيكي و پايداري حرارتي، افزايش پايداري در محيط آبي و بهبود پايداري شيميايي در محيط آزمون فنتون براي غشاهاي نانوكامپوزيتي با افزايش درصد نانوذرات هم براي زيركونيا و هم سريا نسبت به غشاي خالص بود. نتايج عملكرد غشاهاي نانوكامپوزيتي زيركونيا و همچنين سريا در سامانه پيل سوختي تا ميزان بارگذاري 5% نسبت به عملكرد غشاي خالص تغيير محسوسي نداشت و عملكرد مطلوبي از خود نشان دادند. نتايج آزمون تخريب 230 ساعته در سامانه پيل سوختي نشان داد كه نرخ افت ولتاژ براي غشاي SPEEK خالص، mV h-1 52/0بود و براي غشاي با 10% زيركونيا mV h-1 14/0 و براي غشاي با 10% سريا حدود mV h-1 09/0 بود و نتايج بيانگر تاثير بالاي زيركونيا و سريا در ميزان بارگذاري¬هاي مختلف بر بهبود دوام غشا بود. نتايج آزمون¬هاي برون محلي براي غشاهاي نانوكامپوزيت با نانوذرات مخلوط اكسيدي سريا-زيركونيا نيز بيانگر بهبود انواع پايداري¬هاي غشاها بود. آزمون عملكرد پيل سوختي بيانگر نزديك بودن تقريبي عملكرد اين نوع غشاها به غشاي SPEEK خالص بود. آزمون تخريب تسريع يافته 230 ساعته بيانگر دوام بسيار عالي با كمترين نرخ افت ولتاژ (mV h-1 04/0) نسبت به تمامي غشاهاي نانوكامپوزيتي تهيه شده با درصدهاي مختلف بارگذاري از نانوذرات سرياي خالص و زيركونياي خالص بود كه بيانگر خاصيت بسيار قوي اين نانوذرات براي بهبود دوام غشاها بود. با توجه به اهداف تببين شده توسط سازمان¬هاي بين¬المللي براي دوام شيميايي انواع غشاهاي تبادل پروتون، انواع غشاهاي نانوكامپوزيتي تهيه شده در اين پژوهش، دوامي بسيار بالاتر از حد مجاز و قابل قبول در معاهده¬ها از خود نشان دادند.

190153

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي شيمي

دكتر سوسن روشن ضمير