سنتز غشاء پیل سوختی پلیمری بر پایه پلی ایمید های سولفونه و مطالعه اثر نانو ذرات سیلیکا بر عملکرد آن

آلودگی های زیست محیطی و محدودیت منابع سوخت های فسیلی، استفاده از انرژی های نو و پاک را غیر قابل اجتناب کرده است. پیل های سوختی پلیمری یکی از این منابع انرژی پاک است. اما قیمت بالای انرژی تولیدی، تجاری سازی آن را مشکل ساخته است. قیمت بالای انرژی تولیدی ناشی از قیمت بالای اجزای پیل سوختی می باشد. یکی از اجزای گران قیمت و پر اهمیت پیل های سوختی پلیمری، الکترولیت آن است که از جنس مواد پلیمری می باشد. پلی ایمید سولفونه یکی از مواد پیشنهادی برای جایگزینی به جای نفیون غشاء تجاری پیل سوختی است. پلی ایمید سولفونه علاوه بر دارا بودن مزایای عالی که آن را به عنوان یک ماده نوید بخش معرفی کرده است، در برابر هیدرولیز تخریب پذیر می باشد. این ضعف تمامی خواص خوب آن را تحت تاثیر قرار داده و تجاری سازی آن را مشکل ساخته است. تاکنون راه های متعددی برای رفع این معضل ارائه شده است. در این پژوهش سعی شده است که با استفاده از دی آمین های آلیفاتیک با گروه های انعطاف پذیر اتری این مشکل برطرف گردد به همین منظور از دی آمین های آلیفاتیک-اتری از سه نوع دی آمین آلیفاتیک با گروه های اتری که شامل 1و13 دی آمینو- 4و7و10تری اکسا تری دکان، 4و9- دی اکسا- 1و12 دو دکان دی آمین و 1و8 دی آمینو- 3و6 دی اکسا اکتان هستند، استفاده شده است.همچنین در این پژوهش از دی انیدرید فتالیک 3و’3-4و’4 بنزوفنون تترا کربوکسیلیک دی انیدرید(btda) استفاده شده است. به منظور بررسی تاثیر افزودن این گروه های آلیفاتیک اتری به زنجیره، از ترکیب آنها با دی آمین آروماتیک 4و?4- دی آمینو دی فنیل اتر(oda) استفاده شده است. بدین منظور از هر کدام این دی آمین های آلیفاتیک-اتری، به نسبت 20 به 80 به دی آمین oda در زنجیره پلی ایمید سولفونه استفاده شده است. همچنین جهت مقایسه خواص پلی ایمید های سولفونه حاوی گروه های آلیفاتیک-اتری، یک نمونه کاملاً آروماتیک از ترکیب btda با oda سنتز شده است. جهت انجام سولفوناسیون از روش پساسولفوناسیون استفاده شده است. در این روش ابتدا پلی آمیک اسید سنتز می شود و سپس با استفاده از اسیدسولفوریک غلیظ سولفوناسیون بر روی ساختار انجام می پذیرید. در مرحله پایانی نیز توسط روش ایمیدازیسیون گرمایی غشاء ریخته گری شده پخت می گردد. نتایج نشان داد که جذب آب نمونه کاملاً آروماتیک با نمونه حاوی 20 درصد دی آمین آلیفاتیک با گروه های اتری یکسان است و به میزان 4/5% است. جذب آب در غشاء های تهیه شده پایین تر از نفیون است. اما میزان مول های آب به ازای گروه های سولفونه(?) در نمونه های خالص بالاتر از نفیون است. میزان مقاومت هیدرولیزی در غشاء کاملا آروماتیک 48 ساعت و که در غشاء حاوی 20% گروه های آلیفاتیک به 60 ساعت افزایش یافته است. ظرفیت تبادل یون در غشاء کاملاً آروماتیک درحدود 379/0 اکی والان بر گرم است و در غشاء حاوی 20 درصد دی آمین خطی در حدود 119/0 می باشدکه این مقادیر پایین تر از میزان تبادل نفیون به میزان 89/0 می باشد. ویژگی بسیار مهم غشاء های تبادلگر پروتون، مقدار هدایت پروتون می باشد. هدایت پذیری پروتون غشاء های سنتز شده از مقدار 3-10× 5/1زیمنس بر سانتی متر برای غشاء کاملاً اروماتیک به مقدار 3-10× 2 برای غشاء حاوی گروه های آلیفاتیک، افزایش یافته است. این مقادیر از مقدار هدایت پذیری پروتون نفیون که 4- 10 است، بسیار بالاتر است. در مرحله دوم پژوهش، با افزودن نانو ذرات سیلیکا به بهترین نمونه تهیه شده به روش سل-ژل، تاثیر نانو ذرات بر خواص غشاء سنجیده شد. تصاویر میکروگرام تهیه شده جدایی فازی نواحی قطبی و غیر قطبی را به وضوح نشان می دهد. همچنین افزودن نانو ذرات سیلیکا موجب افزایش هدایت پذیری و کاهش ظرفیت تبادل یون نسبت به غشاء خالص و نفیون شده است. بطوری که ظرفیت تبادل یون در غشاء های حاوی 2، 4 و 8% نانوسیلیکا، به ترتیب316/0، 242/0 و 081/0 است و همچنین هدایت پذیری این غشاء ها به ترتیب 2-10، 3-10×2/2 و 2-10×1/6 است. بالاتربن جذب آب مربوط به غشاء نانو کامپوزیتی حاوی 4% نانو سیلیکا است و مقدار جذب آب 11% رسیده است. در تمامی غشاء های نانو کامپوزیتی به غیر از 8% وزنی میزان جذب آب نسبت به نفیون بهبود یافته است. در کل افزودن نانو ذرات سیلیکا سبب افزایش جذب آب و ? در غشاء ها شده است.