تهيه و ارزيابي غشاهاي نانوكامپوزيتي پلي اتراتركتون سولفونه با اكسيدهاي فلزي آب دوست براي پيل هاي سوختي پليمري دما بالا

دكتري

افزايش همزمان هدايت پروتوني به همراه پايداري شيمياي يكي از مهمترين ملاحظات در ساخت غشاهاي تبادل پروتون است. با اين ديدگاه، تعدادي غشاي كامپوزيت بر پايه پلي¬اتراتركتون سولفونه (SPEEK) با افزودن سه نانوذره فلزي سولفاته: تيتانيا، زيركونيا و زيركونيا-تيتانيا ساخته شدند. نانوذرات با استفاده از روش سل-ژل تهيه شدند و با استفاده از آزمون پراش اشعه ايكس، آزمون پخش انرژي اشعه ايكس و مطالعات ميكروسكوپ الكتروني عبوري مورد ارزيابي قرار گرفتند. مقدار بهينه افزودن هريك از نانوذرات به غشا و زمان سولفوناسيون غشاها با استفاده از روش رويه پاسخ به¬دست آمد. مهمترين فاكتور تأثيرگذار بر مدل هدايت پروتوني درصد نانوذرات و مهمترين فاكتور تأثيرگذار بر مدل پايداري اكسيداتيو زمان سولفوناسيون بود. غشاهاي بهينه با استفاده از آزمون¬هاي ساختاري، ريخت شناسي، حرارتي، شيميايي و مكانيكي ارزيابي گرديدند. نتايج آزمون‌ها نشان داد كه حضور مقدار بهينه نانوذرات سولفاته در غشاي SPEEK باعث افزايش جذب آب با حفظ نرخ تورم در محدوده مناسب مي¬شود. غشاي نانوكامپوزيت SPEEK/STi در دماي ℃ 120 و رطوبت نسبي %100 داراي هدايت پروتوني S cm-1 10-3×35/37 بود كه 108 برابر هدايت پروتوني غشاي SPEEK اوليه در همين شرايط است. پايداري شيميايي اين غشاي نانو كامپوزيت نيز بيش از 300 دقيقه در محلول فنتون بدست آمد (اين مقدار براي غشاي SPEEK ساده كه تنها 48 دقيقه مي¬باشد). نتيجه عملكرد غشاي نانوكامپوزيت SPEEK/STi در پيل سوختي واحد آزمايشگاهي در دماي ℃90 و رطوبت نسبي %100 در حدود mW cm-2 281 بود كه به مقدار قابل توجهي بالاتر از عملكرد نمونه تجاري (mW cm-2 112) است. علاوه براين، نتايج عبور عرضي سوخت نشان داد كه غشاهاي نانوكامپوزيت خصوصاً غشاي SPEEK/SZrTi، به علت توزيع بهتر در شبكه پليمري، عبور عرضي هيدروژن بسيار ناچيزي در مقايسه با نمونه تجاري دارند كه بسيار براي حفظ مقاومت مكانيكي و شيميايي ضروري است. بطوركلي غشاهاي نانوكامپوزيت حاصل برپايه SPEEK با كانال‌هاي انتقال پروتون به خوبي توسعه يافته، عبور سوخت كمتر، خواص مكانيكي و شيميايي مطلوب‌تر و هدايت پروتوني بالاتر جايگزيني مناسب جهت استفاده در پيل سوختي در دماي بالاتر از ℃ 100 مي‌باشند.

194220

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي شيمي

دكتر سوسن روشن ضمير