Effect of zeolite content on proton conductivity and technical characteristics of the membranes based on crosslinked polyvinyl alcohol

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

Polyvinyl alcohol (PVA)-based ion-exchange membranes are a promising group of materials for use in solid polymer fuel cells (SPFC) due to their high hydrophilicity, film forming ability, low cost, good  mechanical properties and the possibility of crosslinking PVA with various chemicals. The compounds with a carboxyl or carbonyl functional group, such as polybasic acids and their anhydrides, were used as crosslinking agents resulting in the formation of a gel. Cross-linking reagents may contain ionic groups, for example, sulfonic, inducing the proton conductivity of PVA in membranes. Ceramic materials based on the oxides of aluminum, silicon, titanium, tin, zirconium, etc. serve as dopants in order to improve the technical characteristics of such membranes, such as to increase ionic conductivity, chemical and thermal stability, as well as the mechanical strength of the membranes. In this work, we report on the preparation of new biodegradable proton exchange membranes for SPFCs based on of polyvinyl alcohol crosslinked with sulfosuccinic acid and doped with beta zeolite particles. The content of zeolite in the composition of the membranes was varied from 1 to 25 %. The effect of the zeolite content on proton conductivity, ion-exchange capacity, moisture content, swelling coefficient, fuel (methanol) permeability and mechanical properties of membranes was studied. An increase in zeolite content from 1 to 25 % leads to an increase in the ion-exchange capacity of membranes from 1.5 to 2.9 mmol/g, a decrease in moisture content from 38 to 28 % and a methanol permeability from 2.2710-6 to 6.9110-7 cm2 s-1. The temperature dependence of the proton conductivity of composite membranes in the range from 30 to 80 ºC at the relative humidity of 100 % was studied. The highest value of electrical conductivity was demonstrated by a membrane containing 25 % of BEA zeolite, whose proton conductivity was 23.2 mS·cm-1.

Sobre autores

A. Chesnokov

Irkutsk National Research Technical University

Email: chesnokova@istu.edu

T. Zhamsaranzhapova

Irkutsk National Research Technical University

Email: tanyazham@mail.ru

S. Zakarchevskiy

Irkutsk National Research Technical University

Email: serzh94lan@mail.ru

V. Kulshrestha

CSIR-Centre Salt & Marine Chemicals Research Institute

Email: vaibhavphy@gmail.com

S. Skornikova

Irkutsk National Research Technical University

Email: sskornikova@mail.ru

S. Makarov

Irkutsk National Research Technical University

Email: makarov@mail.ru

Yu. Pozhidaev

Irkutsk National Research Technical University

Email: pozhid@istu.edu

Bibliografia

  1. Maiti J, Kakati N, Lee SH, Jee SH, Viswanathan B, Yoon YS. Where do poly(vinyl alcohol) based membranes stand in relation to Nafion® for direct methanol fuel cell applications. Journal of Power Sources. 2012;216:48–66. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.05.057
  2. Dhanapal D, Xiao M, Wang S, Meng Y. A Review on sulfonated polymer composite/organicinorganic hybrid membranes to address methanol barrier issue for methanol fuel cells. Nanomaterials. 2019;9:668. https://doi.org/10.3390/nano9050668
  3. Wong CY, Wong WY, Loh KS, Daud WRW, Lim KL, Khalid M., et al. Development of development of poly(vinyl alcohol)-based polymers as proton exchange membranes and challenges in fuel cell application: A Review. Polymer Reviews. 2019;60(1):171–202. https://doi.org/10.1080/15583724.2019.1641514
  4. Ghorbel N, Kallel A, Boufi S, Molecular dynamics of poly(vinyl alcohol)/cellulose nanofibrils nanocomposites highlighted by dielectric relaxation spectroscopy. Composites Part A Applied Science and Manufacturing. 2019;124:105465. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.05.033
  5. Oliveira PN, Catarino M, Müller CMO, Brandão L, Tanaka DAP, Bertolino JR, et al. Preparation and characterization of crosslinked PVAL membranes loaded with boehmite nanoparticles for fuel cell applications. Journal of Applied Polymer Science. 2013;131:40148. https://doi.org/10.1002/app.40148
  6. Tutgun MS, Sinirlioglu D, Celik SU, Bozkurt A. Investigation of nanocomposite membranes based on crosslinked poly(vinyl alcohol)– sulfosuccinic acid ester and hexagonal boron nitride. Journal of Polymer Research. 2015;22(4).Article number 47; 11 p. https://doi.org/10.1007/s10965-015-0678-6
  7. Kakati N, Das G Yoon Y-S. Protonconducting membrane based on epoxy resinpoly(vinyl alcohol)-sulfosuccinic acid blend and its nanocomposite with sulfonated multiwall carbon nanotubes for fuel-cell application. Journal of the Korean Physical Society. 2016;68:311–316. https://doi.org/10.3938/jkps.68.311
  8. Tomas M., Tomáš R, Gholami F. The determination of effective diffusion coefficient from the electrochemical impedance spectra of composite poly (vinyl alcohol) membranes. Environmental Progress and Sustainable Energy. 2019;38(5):13195. https://doi.org/10.1002/ep.13195
  9. Ajith C, Deshpande AP, Varughese S. Proton conductivity in crosslinked hydrophilic ionic polymer system: Competitive hydration, crosslink heterogeneity, and ineffective domains. Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics. 2016;54 (11):1087–1101. https://doi.org/10.1002/polb.24012
  10. Li HQ, Liu XJ, Wang H, Yang H, Wang ZZ, He J. Proton exchange membranes with cross-linked interpenetrating network of sulfonated polyvinyl alcohol and poly(2- acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid): Excellent relative selectivity. Journal of Membrane Science. 2020;595:117511. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117511
  11. Zhou T, Li Y, Wang WW, He L, Cai L, Zeng C. Application of a novel PVA-based proton exchange membrane modified by reactive black KN-B for low-temperature fuel cells. International Journal of Electrochemical Science. 2019;14:8514–8531. https://doi.org/10.20964/2019.09.16
  12. Boroglu MS, Çelik SÜ, Bozkurt A, Boz I. The synthesis and characterization of anhydrous proton conducting membranes based on sulfonated poly(vinyl alcohol) and imidazole. Journal of Membrane Science. 2011;375(1-2):157–164. https://doi.org/10.1016/memsci.2011.03.041
  13. Kim DS, Park HB, Rhim JW, Lee YM. Preparation and characterization of crosslinked PVA/SiO2 hybrid membranes containing sulfonic acid groups for direct methanol fuel cell applications. Journal of Membrane Science. 2004;240(1):37–48. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2004.04.010
  14. Tripathi BP, Shahi VK. Functionalized organic-inorganic nanostructured N-p- carboxy benzyl chitosan-silica-PVA hybrid polyelectrolyte complex as proton exchange membrane for DMFC applications. The Journal of Physical Chemistry B. 2008;112:15678–15690. https://doi.org/10.1021/jp806337b
  15. Beydaghi H, Javanbakht M, Badiei A. Cross-linked poly(vinyl alcohol)/sulfonated nanoporous silica hybrid membranes for proton exchange membrane fuel cell. Journal of Nanostructure in Chemistry. 2014;4. Article number 97. https://doi.org/10.1007/s40097-014-0097-y
  16. Navarra MA, Fernicola A, Panero S, Martinelli AA, Matic A. Effect of functionalized silica particles on cross-linked poly(vinyl alcohol) proton conducting membranes. Journal of Applied Electrochemistry. 2008;38(7):931–938. https://doi.org/10.1007/s10800-008-9498-2
  17. Lebedeva OV, Pozhidaev YuN, Malakhova EA, Raskulova TV, Chesnokova AN, Kulshrestha V, et al. Sodium p-styrene sulfonate-1-vinylimidazole copolymers for acid-base protonexchange membranes. Membranes and Membrane Technologies. 2020;2:76–84. https://doi.org/10.1134/S2517751620020079
  18. Rodionova LI, Knyazeva EE Konnov SV, Ivanova II. Application of nanosized zeolites in petroleum chemistry: synthesis and catalytic properties. Petroleum Chemistry. 2019;59:455–470. https://doi.org/10.1134/S096554419040133
  19. Marcos-Madrazo A, Casado-Coterillo C, García-Cruz L, Iniesta J, Simonelli L, Sebastián V, et al. Preparation and identification of optimal synthesis conditions for a novel alkaline anionexchange membrane. Polymers. 2018;10(8):913. https://doi.org/10.3390/polym10080913
  20. Gahlot S, Sharma PP, Kulshrestha V, Jha PK. SGO/SPES-based highly conducting polymer electrolyte membranes for fuel cell application. ACS Applied Materials and Interfaces. 2014;6(8): 5595−5601. https://doi.org/10.1021/am5000504

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».