تهیه غشاهای پلی آریلن اتری سولفونه تقویت‌شده با گرافن اکساید سولفونه جهت استفاده به‌عنوان غشای تبادل پروتونی در پیل‌های سوختی پلیمری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکده علوم پلیمر، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، تهران، ایران

چکیده

مقدمه و اهداف: در این پژوهش، با هدف ارتقای عملکرد غشاهای پلیمری مورد استفاده در پیل‌های سوختی، غشاهای نانوکامپوزیتی بر پایه پلی‌آریلن اتر سولفونه (sPAE) طراحی و بررسی شدند. تمرکز اصلی بر استفاده از نانوصفحات گرافن اکساید سولفونه (sGO) به‌عنوان فاز تقویت‌کننده بود.
مواد و روش‌ها: برای تهیه غشاها، نانوصفحات sGO در سه درصد وزنی ۲، ۴ و ۶ به ماتریس پلیمری sPAE افزوده شدند. نمونه‌های تولیدشده تحت آزمون‌های فیزیکوشیمیایی و الکتروشیمیایی شامل ظرفیت تبادل یونی، جذب آب، پایداری حرارتی، هدایت پروتونی و عملکرد تک‌سل پیل سوختی ارزیابی شدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد غشای نانوکامپوزیتی حاوی ۲ درصد وزنی sGO بهینه‌ترین ترکیب است. این غشا، ظرفیت تبادل یونی meq/g 1/98‎، جذب آب 31/8 % و هدایت پروتونی S/cm‎ 0/268 در دمای ‎°C ‎80 را نشان داد. علاوه‌براین، در آزمون عملکردی تک‌سل، افزایش ‎‎15 % در چگالی جریان و ‎30 % در چگالی توان نسبت به غشای مرجع مشاهده شد.
نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج، افزودن ۲ درصد وزنی نانوصفحات sGO به غشاهای sPAE منجر به بهبود قابل‌توجه ویژگی‌های فیزیکی و الکتروشیمیایی شد. این غشاها گزینه‌ای کارآمد برای استفاده در شرایط عملیاتی پیل‌های سوختی محسوب می‌شوند. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Preparation of Sulfonated Polyarylene Ether Membranes Reinforced with Sulfonated Graphene Oxide as Proton Exchange Membranes in Polymer Electrolyte Fuel Cells

نویسندگان [English]

  • Maryam Oroujzadeh
  • Maryam Jalili Marand
Polymer Science Research Institute, Iran Polymer and Petrochemical Institute, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction and Objectives: This study aimed to develop nanocomposite membranes based on sulfonated poly(arylene ether) (sPAE) and evaluate the effect of incorporating sulfonated graphene oxide (sGO) nanosheets on their physicochemical and electrochemical properties for fuel cell applications. The main focus was on the use of sulfonated graphene oxide (sGO) nanosheets as the reinforcing phase.
Materials and Methods: Nanocomposite membranes were prepared by introducing sGO nanoparticles into the sPAE matrix at three different weight percentages of (2, 4, and 6 wt%). The membranes were characterized in terms of ion exchange capacity, water uptake, thermal stability, proton conductivity, and single-cell fuel cell performance.
Results: The results indicated that the membrane containing 2 wt% sGO represented the optimal composition. This membrane exhibited an ion exchange capacity of 1.98 meq/g, reflecting its high proton transfer capability. It also demonstrated a water uptake of 31.8%, ensuring a favorable balance between hydrophilicity and structural integrity. Proton conductivity at 80 °C reached 0.268 S/cm. Furthermore, in single-cell fuel cell tests at 80 °C, the 2 wt% sGO membrane increased current density by 15% and power density by 30% compared to the pristine membrane.
Conclusion: Incorporating 2 wt% sGO into the sPAE membranes significantly enhanced ion exchange capacity, water uptake, and proton conductivity, leading to improved single-cell performance. These findings highlight the potential of sGO-modified sPAE membranes as promising candidates for fuel cell applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polymeric fuel cell
  • Proton exchange membrane
  • Sulfonated polyarylene ether
  • Sulfonated graphene oxide
  • Fuel cell membrane

مراجع

  1. Rashtchi H, Raeissi K, Shamanian M, Raeissi K. Electroplating of Ni-Mo Coating on Stainless Steel for Application in Proton Exchange Membrane Fuel Cell Bipolar Plate. J Adv Mater Eng. 2022;36(4):1-20. https://doi.org/10.29252/jame.36.4.1 (In Persian)
  2. Peighambardoust SJ, Rowshanzamir S, Amjadi M. Review of the proton exchange membranes for fuel cell applications. Int J hydrogen energy 2010;35(17),9349-9384. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.05.017
  3. Zhu LY, Li YC, Liu J, He J, Wang LY, Lei JD. Recent developments in high-performance Nafion membranes for hydrogen fuel cells applications. Pet Sci. 2022;19(3):1371-1381. https://doi.org/1016/j.petsci.2021.11.004
  4. Cele N, Ray SS. Recent progress on Nafion-based nanocomposite membranes for fuel cell applications. Macromol Mater Eng. 2009;294(11):719-738. https://doi.org/10.1002/mame.200900143
  5. Spry D, Goun A, Glusac K, Moilanen  DE, Fayer MD. Proton transport and the water environment in Nafion fuel cell membranes and AOT reverse micelles. J Am Chem Soc. 2007;129(26):8122-8130. https://doi.org/10.1021/ja071939o
  6. Khomein P, Ketalaars W, Lap T, Liu G. Sulfonated aromatic polymer as a future proton exchange membrane: A review of sulfonation and crosslinking methods. Renew Sustain Energy Rev. 2021;137: 110471. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110471
  7. Han J, Lee H, Kim J, Kim S, Kim H, Kim E, Lee JC. Sulfonated poly (arylene ether sulfone) composite membrane having sulfonated polytriazole grafted graphene oxide for high-performance proton exchange membrane fuel cells. J Membr Sci. 2020;612:118428. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118428
  8. Miao S, Zhang H, Li X, Wu Y. A morphology and property study of composite membranes based on sulfonated polyarylene ether sulfone and adequately sulfonated graphene oxide. Int J Hydrogen Energy. 2016;41(1):331-341. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.10.080
  9. Chen R, Xu F, Fu K, Zhou J, Shi Q, Xue C, Li G. Enhanced proton conductivity and dimensional stability of proton exchange membrane based on sulfonated poly (arylene ether sulfone) and graphene oxide. Mater Res Bull. 2018;103:142-149. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2018.02.036
  10. Xu C, Liu X, Cheng J, Scott K. A polybenzimidazole/ionic-liquid-graphite-oxide composite membrane for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells. J Power Sources. 2015;274:922-927. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.134
  11. Feng K, Zhao P, Meng L, Xu J, Lei J, Li N, Chen F, Wang J, Shi Q. Poly(arylene ether ketone sulfone)s functionalized with diethylenetriamine-modified graphene oxide as proton exchange membranes for fuel cells. Int J Hydrogen Energy. 2024;73:609-618. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.06.093
  12. Zhao P, Meng L, Xu J, Lei J, Feng K, Lan T, Wang Z. Poly(arylene ether ketone sulfone)s functionalized with adenosine triphosphate-modified graphene oxide as proton exchange membranes for fuel cells. Eur Polym J. 2024;202:112605. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2023.112605
  13. Omar H, Malek NSA, Nurfaizianawatie MZ, Rosman NF, Bunyamin I, Abdullah S, Khusaimi Z, Rusop M, Asli NA. A review of synthesis graphene oxide from natural carbon-based coconut waste by Hummer’s method. Mater Today Proc. 2023;75:188-192. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.11.427
  14. Oroujzadeh M, Mehdipour-Ataei S. Highly fluorinated poly arylene ethers containing sulfonated naphthol pendants with improved proton conductivity as a polymer electrolyte for proton exchange membrane fuel cells. Renew Energy. 2025;240:122298. https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.122298
  15. Dong B, Wang Y, Pang J, Guan S, Jiang Z. High proton conductivity of sulfonated methoxyphenyl-containing poly (arylene ether ketone) for proton exchange membranes. RSC Adv. 2015;5(130):107982-107991. https://doi.org/10.1039/C5RA11486A
  16. Pang J, Zhang H, Li X, Wang L, Liu B, Jiang Z. Synthesis and characterization of sulfonated poly (arylene ether) s with sulfoalkyl pendant groups for proton exchange membranes. J Membr Sci. 2008;318(1-2):271-279. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2008.02.051
  17. Wang G, Yang S, Kang N Y, Lu M, Hua B, Wei H. Sulfonated graphene oxide doped sulfonated polybenzothiazoles for proton exchange membrane fuel cells. J Membr Sci. 2023;668:121239. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2022.121239
  18. Basso Peressut A, Virgilio M D, Bombino A, Latorrata S, Muurinen E, Keiski R L, Dotelli G. Investigation of sulfonated graphene oxide as the base material for novel proton exchange membranes. 2022;27(5):1507. https://doi.org/10.3390/molecules27051507
  19. Ahmad S, Nawaz T, Ali A, Orhan M F, Samreen A, Kannan A. An overview of proton exchange membranes for fuel cells: Materials and manufacturing. Int J Hydrogen Energy. 2022;47(44): 19086-19131. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.04.099
  20. Gorre A, Das A, Jana T. Mixed matrix composite PEM with super proton conductivity developed from ionic liquid modified silica nanoparticle and polybenzimidazole. J Macromol Sci A. 2023;60(1): 38-50. https://doi.org/10.1080/10601325.2022.2154677

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 45، شماره 2
(شماره پیاپی 53)
تیر 1405
صفحه 113-134

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

تحت نظارت وف بومی