RU2787343C1 - Proton-exchange membrane based on organometallic framework structure hkust-1 - Google Patents

Proton-exchange membrane based on organometallic framework structure hkust-1 Download PDF

Info

Publication number
RU2787343C1
RU2787343C1 RU2022116849A RU2022116849A RU2787343C1 RU 2787343 C1 RU2787343 C1 RU 2787343C1 RU 2022116849 A RU2022116849 A RU 2022116849A RU 2022116849 A RU2022116849 A RU 2022116849A RU 2787343 C1 RU2787343 C1 RU 2787343C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hkust
proton
spes
membrane
fuel cells
Prior art date
Application number
RU2022116849A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Евгеньевич Горбань
Original Assignee
Иван Евгеньевич Горбань
Filing date
Publication date
Application filed by Иван Евгеньевич Горбань filed Critical Иван Евгеньевич Горбань
Application granted granted Critical
Publication of RU2787343C1 publication Critical patent/RU2787343C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrolytic materials.
SUBSTANCE: invention relates to an electrolytic material for carrying out the transfer of positively charged hydrogen ions between the electrodes of a hydrogen fuel cell. A proton-exchange composite membrane SPES/HKUST-1 for solid polymer fuel cells with a thickness of 48-52 µm is proposed. The membrane contains an HKUST-1 organometallic frame structure doped with a sulfonated multiblock copolymer of polysulfone and polyphenylsulfone (SPES), in the following ratio, wt.%: HKUST-1 - 4.5-5.5, SPES - 94.5-95.5.
EFFECT: production of a proton-exchange membrane, which, due to its high ionic conductivity and exchange capacity, provides an increase in the efficiency of power generation by fuel cells, while significantly reducing carbon monoxide emissions, which has a positive effect on the environment.
1 cl, 4 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области химии и химической технологии, а именно является электролитическим материалом для осуществления переноса положительно заряженных ионов водорода между электродами водородного топливного элемента. Таким образом, данный материал является структурным элементом водородного топливного элемента.The invention relates to the field of chemistry and chemical technology, namely, it is an electrolytic material for carrying out the transfer of positively charged hydrogen ions between the electrodes of a hydrogen fuel cell. Thus, this material is a structural element of a hydrogen fuel cell.

Техническим результатом является изготовление протонно-обменной мембраны на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1, которая будет использоваться в водородных топливных элементах для осуществления переноса положительно заряженных ионов водорода между электродами и выработки электроэнергии. Использование протонно-обменной мембраны на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1 обеспечивает повышение эффективности выработки электроэнергии топливными элементами, благодаря высокой ионной проводимости и обменной емкости. Повышение эффективности выработки электроэнергии водородными топливными элементами необходимо для расширения спектра применений данного типа источников питания. Так как водородные топливные элементы являются безопасным для окружающей среды способом получения электроэнергии, расширение области применения помогает сократить выброс угарного газа и положительно сказывается на экологии.The technical result is the manufacture of a proton-exchange membrane based on the HKUST-1 organometallic frame structure, which will be used in hydrogen fuel cells to carry out the transfer of positively charged hydrogen ions between electrodes and generate electricity. The use of a proton-exchange membrane based on the HKUST-1 metal-organic framework structure improves the efficiency of power generation by fuel cells due to high ionic conductivity and exchange capacity. Increasing the efficiency of power generation by hydrogen fuel cells is necessary to expand the range of applications of this type of power source. Since hydrogen fuel cells are an environmentally friendly way to generate electricity, expanding the scope helps to reduce carbon monoxide emissions and has a positive impact on the environment.

В качестве аналогов протонно-обменных мембран, применяемых для использования в водородных топливных элементах, можно выделить NAFION и его модификации. Оригинальные мембраны NAFION были запатентованы в 1964 году «Fluorocarbon vinyl ether polymers» по патенту US3282875A, но различные модификации NAFION актуальны и в наше время, например, «Perfluorinated sulfonic resin/sulfonation SiO 2Molecular sieve compound proton exchange membrane and preparation method thereof» по патенту CN101938002B, «Modified nafion proton exchange membrane, preparation method of proton exchange membrane, direct methanol fuel cell membrane electrode and preparation method of membrane electrode» по патенту CN103490081A, «Nafion/Zn-LSX zeolite composite coating and preparation method and application thereof» по патенту CN112885982A. NAFION and its modifications can be distinguished as analogues of proton-exchange membranes used in hydrogen fuel cells. The original NAFION membranes were patented in 1964 by "Fluorocarbon vinyl ether polymers" under patent US3282875A, but various modifications of NAFION are still relevant today, for example, "Perfluorinated sulfonic resin/sulfonation SiO 2Molecular sieve compound proton exchange membrane and preparation method thereof" under the patent CN101938002B, Modified nafion proton exchange membrane, preparation method of proton exchange membrane, direct methanol fuel cell electrode membrane and preparation method of membrane electrode patent CN112885982A.

Протонно-обменные мембраны NAFION благодаря своим суперкислотным группам обеспечивают высокую проводимость и высокую устойчивость к окислению, что позволяет достичь высокой производительности и долговечности в водородных топливных элементах. Однако, NAFION также обладает недостатками, такими как низкая термомеханическая стабильность, высокая кислородопроницаемость, мембрана подвергается деградации в реальных устройствах. Эти недостатки вызывают необходимость поиска других иономеров на основе других полимерных цепей. Использование NAFION ограничено, например, в автомобильной промышленности. Толщина мембран NAFION не может быть ниже, чем приблизительно 100 микрон, чтобы не подвергать риску механическую стабильность мембраны.NAFION proton exchange membranes, due to their superacid groups, provide high conductivity and high oxidation stability, which allows high performance and durability in hydrogen fuel cells. However, NAFION also has disadvantages such as low thermomechanical stability, high oxygen permeability, and membrane degradation in real devices. These shortcomings necessitate the search for other ionomers based on other polymer chains. The use of NAFION is limited, for example, in the automotive industry. The thickness of NAFION membranes cannot be lower than approximately 100 microns so as not to compromise the mechanical stability of the membrane.

У всех мембран для топливных элементов предыдущего уровня техники или, имеющихся в продаже, газопроницаемость по существу отсутствует (число Герли (Gurley) >10000). Кроме того, указанные мембраны, особенно если они имеют большую толщину, с трудом восстанавливаются после дегидратации. Вплоть до настоящего времени это является нерешенной проблемой, которая затрудняет функционирование топливных элементов. All prior art or commercially available fuel cell membranes have substantially no gas permeability (Gurley number >10,000). In addition, these membranes, especially if they have a large thickness, are difficult to recover after dehydration. Up to now, this is an unresolved problem that hinders the operation of fuel cells.

Кроме того, чтобы предотвратить отравление электродов, содержащих платину, для топливных элементов предыдущего уровня техники используют очень чистый водород (99%). Фактически, если используют водород, полученный в процессе риформинга, содержащий СО, происходит быстрое отравление платины. В соответствии с предыдущим уровнем техники полученный в процессе риформинга водород перед использованием в топливных элементах должен быть очищен от СО. In addition, in order to prevent poisoning of electrodes containing platinum, very pure hydrogen (99%) is used for prior art fuel cells. In fact, if reformed hydrogen containing CO is used, the platinum is rapidly poisoned. In accordance with the prior art, hydrogen produced in the reforming process must be purified from CO before being used in fuel cells.

Толщина протонно-обменных мембран влияет на ряд показателей, таких как газопроницаемость, скорость переноса заряда, и восстановление после дегидратации. Соответственно, чем меньше толщина используемой мембраны, тем эти показатели выше, а значит, использование более тонких мембран также положительно скажется на эффективности водородного топливного элемента. Однако низкая толщина мембраны может негативно сказываться на ее механической стабильности, что повлечет за собой разрушение во время работы. Разработанные мембраны обладают толщиной примерно 40±10 μm, что значительно ниже аналогов. При этом механические свойства данных мембран обеспечивают работоспособность данных мембран в топливных элементах даже при условии добавления металлорганических каркасных структур HKUST-1.The thickness of proton exchange membranes affects a number of parameters such as gas permeability, charge transfer rate, and recovery from dehydration. Accordingly, the smaller the thickness of the membrane used, the higher these indicators, which means that the use of thinner membranes will also have a positive effect on the efficiency of the hydrogen fuel cell. However, the low thickness of the membrane can adversely affect its mechanical stability, which will lead to destruction during operation. The developed membranes have a thickness of approximately 40 ± 10 μm, which is significantly lower than analogues. At the same time, the mechanical properties of these membranes ensure the operability of these membranes in fuel cells even if HKUST-1 metal-organic frame structures are added.

В заявляемой разработке все недостатки компенсирует использование cульфированного мультиблочного сополимера полисульфона и полифенилсульфона, которые обладают более высокой термомеханической стабильностью, обеспечивают более высокую удельную мощность водородной топливной ячейки, а добавление металлорганической каркасной структуры также повышает данный показатель без вреда для термомеханических свойств. In the claimed development, all the disadvantages are compensated by the use of a sulphonated multiblock copolymer of polysulfone and polyphenylsulfone, which have a higher thermomechanical stability, provide a higher specific power of a hydrogen fuel cell, and the addition of an organometallic frame structure also increases this indicator without harm to thermomechanical properties.

Краткое описание иллюстраций: Brief description of illustrations:

Фиг. 1. Кривые удельной мощности мембраны SPES@HKUST-1 при 50 - (1), 60 - (2), 70 - (3) и 80 - (4)°C и относительной влажности 100%.Fig. 1. Specific power curves of the SPES@HKUST-1 membrane at 50 - (1), 60 - (2), 70 - (3) and 80 - (4)°C and 100% relative humidity.

Фиг. 2. Протонная проводимость синтезированных мембран на основе HKUST-1 с загрузкой HKUST-1 5 - (1), 10 - (2) и 20 - (3) мас. % в зависимости от температуры при относительной влажности 90%.Fig. Fig. 2. Proton conductivity of synthesized membranes based on HKUST-1 loaded with HKUST-1 5 - (1), 10 - (2) and 20 - (3) wt. % depending on temperature at 90% relative humidity.

Фиг. 3 Фотография получаемой протонно-обменной мембраны на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1.Fig. 3 Photograph of the obtained proton-exchange membrane based on the organometallic framework structure HKUST-1.

Фиг. 4 Структура металлорганической каркасной структуры HKUST-1, где 1) тримезиновая кислота, 2) металлорганическая каркасная структура HKUST-1, 3) кластер атомов меди.Fig. 4 Structure of the organometallic framework structure HKUST-1, where 1) trimesic acid, 2) organometallic framework structure HKUST-1, 3) a cluster of copper atoms.

Протонно-обменная мембрана на основе HKUST-1 и cульфированного мультиблочного сополимера полисульфона и полифенилсульфона является более гидрофильной по сравнению со своими аналогами, что обеспечивает быструю скорость восстановления после дегидратации. Толщина мембран сразу после синтеза составляет 38.8 микрометров и определена при помощи толщинометра при следующих стандартных условиях: A proton exchange membrane based on HKUST-1 and a sulfonated polysulfone-polyphenylsulfone multiblock copolymer is more hydrophilic than its counterparts, which provides a fast recovery rate after dehydration. The thickness of the membranes immediately after synthesis is 38.8 micrometers and was determined using a thickness gauge under the following standard conditions:

Стандартное давление 105 ПаStandard pressure 105 Pa

Стандартная температура 20°СStandard temperature 20°C

Относительная влажность 30%Relative humidity 30%

Металлоорганические каркасы (МОК) представляют собой уникальный класс кристаллических пористых материалов, где металлические центры соединены между собой органическими линкерами. Данный класс материалов может обладать большим размером пор, большой площадью поверхности, и возможностью функционализации, дополнительными гостевыми молекулами, изменяя или добавляя уникальные свойства, всё это благодаря высокой вариативности используемых структурных элементов.Organometallic frameworks (MOFs) are a unique class of crystalline porous materials where metal centers are connected to each other by organic linkers. This class of materials can have a large pore size, high surface area, and the possibility of functionalization, additional guest molecules, changing or adding unique properties, all this due to the high variability of the structural elements used.

Использование металлоорганических каркасных структур для изготовления протонно-обменных мембран в первую очередь обусловлено их высокой удельной площадью поверхности и большим количеством пор. Имеется лишь небольшое количество статей исследовательских групп, использующих металлорганические каркасные структуры исключительно для модификации уже известных протонно-обменных пленок, все они опубликованы в течение последних 10 лет [3-5].The use of organometallic framework structures for the manufacture of proton-exchange membranes is primarily due to their high specific surface area and large number of pores. There are only a small number of articles by research groups using organometallic framework structures exclusively for the modification of already known proton-exchange films, all of which have been published within the last 10 years [3–5].

Материал, который предполагается реализовать в протонно-обменных мембранах это HKUST-1. Металлорганическая каркасная структура HKUST-1 это нанопористый кристаллический материал, состоящий из кластеров атомов меди Cu II, и линкера 1,3,5-бензолтрикарбоксилата (BTC). Данная структура обладает высокой удельной площадью поверхности 1500-2100 м2/г и большим размером пор, что открывает возможности для запасания большого количества молекул воды внутри данного материала, что положительно сказывается на водопоглощении ионно-обменной емкости протонно-обменных мембран.The material that is supposed to be implemented in proton-exchange membranes is HKUST-1. Metal-organic framework structure HKUST-1 is a nanoporous crystalline material consisting of clusters of Cu II copper atoms and a 1,3,5-benzene tricarboxylate (BTC) linker. This structure has a high specific surface area of 1500-2100 m2/g and a large pore size, which opens up the possibility of storing a large number of water molecules inside this material, which has a positive effect on the water absorption of the ion-exchange capacity of proton-exchange membranes.

Новизна разработки заключается в объединении мультиблочного сополимера полисульфона и полифенилсульфона SPES с металлорганической каркасной структурой HKUST-1. Так как используемый HKUST-1 является кристаллическим, создание пленки с необходимыми требованиями для использования в водородных топливных элементах возможно при помощи полимерного вещества также обладающего возможностью переноса заряженных ионов. Лучше всего для этой цели подходят иономеры на основе многоблочных поликонденсатов, а именно cульфированный мультиблочный сополимер полисульфона и полифенилсульфона. Объединение этих двух наноструктурированных материалов позволяет создать протонно-обменную мембрану, обладающую высокой ионной проводимостью благодаря увеличенному водопоглощению, которое обеспечивает присутствие металлорганической каркасной структурой HKUST-1 и всеми необходимыми свойствами для применения в водородных топливных элементах. Всё это благодаря cульфированному мультиблочному сополимеру полисульфона и полифенилсульфона.The novelty of the development lies in the combination of a multiblock copolymer of polysulfone and polyphenylsulfone SPES with an organometallic framework structure HKUST-1. Since the HKUST-1 used is crystalline, it is possible to create a film with the necessary requirements for use in hydrogen fuel cells by using a polymeric substance that also has the ability to transport charged ions. Ionomers based on multiblock polycondensates are best suited for this purpose, namely, a sulfonated multiblock copolymer of polysulfone and polyphenylsulfone. Combining these two nanostructured materials creates a proton exchange membrane with high ionic conductivity due to increased water absorption, which provides the presence of the HKUST-1 metal-organic framework and all the necessary properties for hydrogen fuel cell applications. All this thanks to the sulphonated multiblock copolymer of polysulfone and polyphenylsulfone.

Технология создания протонно-обменной мембраны на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1 заключается в допировании cульфированного мультиблочного сополимера полисульфона и полифенилсульфона SPES кристаллитами металлорганической каркасной структуры HKUST-1, распределенными по объему мембраны. Металлорганические каркасные структуры, используемые в качестве аддитива, увеличивают водопоглощение данных мембран с 22% до 42% при температуре 30°C и с 31% до 74% при температуре 60°C близкой к температуре работы водородного топливного элемента, ионообменная емкость многоблочного полиэфирсульфона увеличивается с 1,62 до 1,93 (мэкв H+ г-1). Тестирование мембраны в рабочих условиях проводилось на потенциостате Autolab PGStat30 с модулем FRA.The technology for creating a proton-exchange membrane based on the organometallic framework structure HKUST-1 consists in doping the sulphonated multiblock copolymer of polysulfone and polyphenylsulfone SPES with crystallites of the organometallic framework structure HKUST-1 distributed over the membrane volume. The metal-organic framework structures used as an additive increase the water absorption of these membranes from 22% to 42% at a temperature of 30°C and from 31% to 74% at a temperature of 60°C close to the operating temperature of a hydrogen fuel cell, the ion exchange capacity of the multiblock polyethersulfone increases with 1.62 to 1.93 (meq H+ g-1). The membrane was tested under operating conditions on an Autolab PGStat30 potentiostat with an FRA module.

Условия тестирования:Test conditions:

Диапазон температур от 50 до 80°С;Temperature range from 50 to 80°С;

Относительная влажность 100%;Relative humidity 100%;

Используемый частотный диапазон составлял от 10 кГц до 1 Гц;The frequency range used was 10 kHz to 1 Hz;

Амплитуда синусоидального сигнала составляла 10 мВ;The amplitude of the sinusoidal signal was 10 mV;

В ячейку непрерывно подавали увлажненный водород (СВЭ, анод) и азот (катод) со скоростью 200 мл/мин;Humidified hydrogen (HHE, anode) and nitrogen (cathode) were continuously supplied to the cell at a rate of 200 ml/min;

На фиг. 1 представлены кривые поляризации (А) и плотности мощности (В), полученные в результате проведения тестирования разработанной мембраны на основе HKUST-1 в зависимости от температуры. Проведенные исследования продемонстрировали, что наивысшее значение плотности тока достигается при рабочей температуре водородного топливного элемента 70 и 80°C, где достигается максимальная плотность мощности около ~900 мВт/см2 при плотности тока около 2400 мА/см2.In FIG. Figure 1 shows the curves of polarization (A) and power density (B) obtained as a result of testing the developed membrane based on HKUST-1 depending on temperature. The conducted studies have shown that the highest current density is achieved at the operating temperature of the hydrogen fuel cell of 70 and 80°C, where the maximum power density of about ~900 mW/cm 2 is reached at a current density of about 2400 mA/cm 2 .

Если сравнить полученные результаты с результатами, полученными с использованием коммерческих мембран NAFION в тех же экспериментальных условиях Таб. 1, то можно ответить, что удельная мощность при использовании протонно-обменной мембраны на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1 выше, чем представленные аналоги, что подтверждает возможность эффективного использования разработанного материала в водородных топливных элементах. If we compare the obtained results with the results obtained using commercial NAFION membranes under the same experimental conditions Tab. 1, it can be answered that the specific power when using a proton-exchange membrane based on the HKUST-1 metal-organic frame structure is higher than the presented analogues, which confirms the possibility of effective use of the developed material in hydrogen fuel cells.

Таблица 1. Таблица сравнения плотности мощности протонно-обменных мембран в соответствии с толщинойTable 1. Comparison table for power density of proton exchange membranes according to thickness

Название мембраныMembrane name Толщина (µm)Thickness (µm) Удельная мощность (mW/cm2) Specific power (mW/cm 2 ) SPES@HKUST-1SPES@HKUST-1 3838 933933 SPES [2]SPES [2] 5959 403403 Nafion 112 [2]Nafion 112 [2] 5151 729729 Nafion 117 [2]Nafion 117 [2] 178178 310310

1. Синтез металлорганической каркасной структуры HKUST-1.1. Synthesis of the organometallic framework structure HKUST-1.

Для синтеза 100 г металлорганической каркасной структуры HKUST-1 ([Cu3(TMA)2(H2O)3]n)For the synthesis of 100 g of the organometallic framework structure HKUST-1 ([Cu3(TMA)2(H2O)3]n)

1) Берут нитрат меди CuH6N2O9 в количестве 133,32 г, тримезиновую кислоту TMA-H3 в количестве 64,23 г в соответствии с стехиометрическим равенством 1.8:1 реакции атомов меди и тримезиновой кислоты для формирования кристаллической структуры HKUST-1.1) Copper nitrate CuH 6 N 2 O 9 is taken in the amount of 133.32 g, trimesic acid TMA-H 3 in the amount of 64.23 g in accordance with the stoichiometric equality 1.8: 1 of the reaction of copper atoms and trimesic acid to form the crystal structure of HKUST- 1.

2) По отдельности прекурсоры растворяют в 12 мл 50% раствора этанола для диссоциации исходных продуктов. 2) Separately, the precursors are dissolved in 12 ml of 50% ethanol solution to dissociate the starting products.

3) Полученные водно-спиртовые растворы смешивают в едином стакане. В результате перемешивания образуется гомогенный раствор реактантов. 3) The resulting water-alcohol solutions are mixed in a single glass. As a result of mixing, a homogeneous solution of the reactants is formed.

4) Полученную смесь нагревают в лабораторной микроволновой печи в течение 1 часа при температуре 100°С для активации процессов диссоциации и образования кристаллитов HKUST-1.4) The resulting mixture is heated in a laboratory microwave oven for 1 hour at a temperature of 100°C to activate the processes of dissociation and the formation of HKUST-1 crystallites.

5) Кристаллиты металлорганической каркасной структуры HKUST-1 голубого цвета отделяют от супернатанта с помощью центрифугирования. 5) Crystallites of the HKUST-1 blue organometallic framework are separated from the supernatant by centrifugation.

6) Полученный порошок голубого цвета промывают в 50 мл дистиллированной воды с целью очистки HKUST-1 от не прореагировавших прекурсоров. 6) The resulting blue powder is washed in 50 ml of distilled water in order to purify HKUST-1 from unreacted precursors.

7) Полученный порошок помещают в сушильный шкаф при температуре 60°С на 24 часа для удаления гостевых молекул растворителя из пор структуры [1].7) The resulting powder is placed in an oven at a temperature of 60°C for 24 hours to remove guest solvent molecules from the pores of the structure [1].

2. Синтез протонно-обменной мембраны на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1. 2. Synthesis of a proton-exchange membrane based on the organometallic framework structure HKUST-1.

1) Берут сульфированный мультиблочный сополимер полисульфона и полифенилсульфона SPES в количестве 0.19 г. Количество обоснованно необходимой толщиной (30-50 микрометров) получаемой мембраны для дальнейшего оптимального использования в водородных топливных элементах и обеспечения транспортировки ионов водорода между электродами. 1) Take the sulfonated multiblock copolymer of polysulfone and polyphenylsulfone SPES in the amount of 0.19 g. The amount of justified required thickness (30-50 micrometers) of the resulting membrane for further optimal use in hydrogen fuel cells and ensure the transport of hydrogen ions between the electrodes.

2) Растворяют в 6 мл диметилформамида для создания гомогенной среды [2].2) Dissolve in 6 ml of dimethylformamide to create a homogeneous medium [2].

3) В полученный раствор добавляют кристаллиты металлорганической каркасной структуры HKUST-1 в количестве 0.01 г для оптимального соотношения мембраны к используемой металлорганической каркасной структуре HKUST-1. 3) Crystallites of the organometallic framework structure HKUST-1 are added to the resulting solution in an amount of 0.01 g for the optimal ratio of the membrane to the used organometallic framework structure HKUST-1.

4) Полученную смесь перемешивают до гомогенного состояния, затем перемещают в чашку Петри с целью равномерного распределения кристаллитов по объёму.4) The resulting mixture is stirred until a homogeneous state, then transferred to a Petri dish in order to evenly distribute the crystallites throughout the volume.

5) Полученную смесь в чашке Петри сушат при температуре 60°C в вакуумном сушильном шкафу в течение 48 часов для выпекания и удаления растворителя.5) The resulting mixture in a Petri dish is dried at a temperature of 60°C in a vacuum oven for 48 hours to bake and remove the solvent.

6) Затем полученную мембрану обрабатывают 1 М раствором HCl при температуре 60°C в течение 24 часов, в результате чего происходит замещение ионов натрия Na+ на протоны H+, что приводит протонно-обменную мембрану в рабочее состояние.6) Then the resulting membrane is treated with 1 M HCl solution at 60°C for 24 hours, as a result of which sodium ions Na + are replaced by H + protons, which brings the proton exchange membrane into working condition.

Наилучшее соотношение SPES к HKUST-1 было определено в ходе оптимизации методики синтеза протонно-обменных мембран на основе металлорганической каркасной структуры HKUST-1. Для этого были изготовлены три мембраны с массовым эквивалентом 5%, 10% и 20% металлорганической каркасной структуры HKUST-1. Эффективность использования металлорганической каркасной структуры была оценена при помощи импедансной спектроскопии, так как ионная проводимость является ключевым параметром поскольку мембраны должны иметь высокую протонную проводимость для достижения высоких характеристик топливных элементов. The best ratio of SPES to HKUST-1 was determined in the course of optimizing the procedure for the synthesis of proton-exchange membranes based on the organometallic framework structure of HKUST-1. For this, three membranes with a mass equivalent of 5%, 10%, and 20% of the HKUST-1 organometallic framework structure were fabricated. The efficiency of using a metal-organic framework structure was evaluated using impedance spectroscopy, since ionic conductivity is a key parameter since membranes must have high proton conductivity in order to achieve high performance fuel cells.

На фиг. 2 представлена эволюция протонной проводимости синтезированных мембран с загрузками HKUST-1 5, 10 и 20 мас. % при следующих условиях: In FIG. Figure 2 shows the evolution of the proton conductivity of the synthesized membranes with HKUST-1 loadings of 5, 10, and 20 wt %. % under the following conditions:

Температура 40-90°С с шагом в 10°СTemperature 40-90°С in steps of 10°С

Относительная влажность 90%Relative humidity 90%

Диапазон частот от 10-1 Гц до 1 МГцFrequency range from 10 -1 Hz to 1 MHz

Амплитуда напряжения 0,01 ВVoltage amplitude 0.01 V

Табл. 2. Сравнение показателей проводимости и удельной мощности протонно-обменных мембран с добавлением HKUST-1 и их аналогов при различных температурах и относительной влажности 90%.Tab. Fig. 2. Comparison of the conductivity and specific power indices of proton-exchange membranes with the addition of HKUST-1 and their analogues at various temperatures and relative humidity of 90%.

Номер образцаSample number Содержание
SPES, мас.%
94,5-95,5
Content
SPES, wt.%
94.5-95.5
Содержание HKUST-1, мас.%
4,5-5,5
The content of HKUST-1, wt.%
4.5-5.5
Толщина мембраны, мкм
48-52
Membrane thickness, µm
48-52
Ионная
проводимость, мСм*см-1.
Ionic
conductivity, mSm * cm -1 .
Удельная мощность мембраны SPES@HKUST-1, мВт*см-2 Specific power of the SPES@HKUST-1 membrane, mW*cm -2
50°С50°C 60°С60°С 70°С70°С 80°С80°С 90°С90°С 50°С50°С 60°С60°С 70°С70°C 80°С80°C SPES@4,5%HKUST-1SPES@4.5%HKUST-1 95,595.5 4,54.5 4848 7,217.21 16,216.2 31,631.6 53,853.8 63,163.1 290290 742742 910910 929929 SPES@5%HKUST-1SPES@5%HKUST-1 95%95% 5five 5050 7,267.26 16,716.7 32,132.1 54,454.4 63,563.5 301301 746746 918918 933933 SPES@5,5%HKUST-1SPES@5.5%HKUST-1 94,594.5 5,55.5 5252 7,237.23 16,516.5 32,232.2 54,954.9 63,463.4 296296 748748 917917 933933 SPESSPES 100%one hundred% 0%0% 5959 9,239.23 16,116.1 27,327.3 31,331.3 15,815.8 251251 340340 394394 403403 Nafion 112 [2]Nafion 112 [2] -- -- 5151 -- -- -- -- -- -- -- 729729 -- Nafion 117 [2]Nafion 117 [2] -- -- 178178 -- -- -- -- -- -- -- 310310 --

Конкретным примером применения данной мембраны является использование в качестве структурного элемента водородного топливного элемента, а именно в качестве электролитического материала между анодом и катодом для переноса положительно заряженных ионов водорода. Возможность применения разработанных протонно-обменных мембран на основе металлорганических каркасных структур HKUST-1 в водородных топливных элементах, и их ионная проводимость были доказаны выше. A specific example of the application of this membrane is the use as a structural element of a hydrogen fuel cell, namely as an electrolytic material between the anode and cathode for the transfer of positively charged hydrogen ions. The possibility of using the developed proton-exchange membranes based on HKUST-1 organometallic framework structures in hydrogen fuel cells and their ionic conductivity were proved above.

На фиг. 4 продемонстрирована структура металлорганической каркасной структуры HKUST-1 состоящей из органического линкера тримезиновой кислоты и кластеров атомов меди, получаемых из ацетата меди, которые объединены в трехмерный пористый материал. In FIG. Figure 4 shows the structure of the HKUST-1 organometallic framework structure, consisting of an organic trimesic acid linker and clusters of copper atoms derived from copper acetate, which are combined into a three-dimensional porous material.

Источники информации:Sources of information:

1. Chui, S.S.-Y., et al., A Chemically Functionalizable Nanoporous Material [Cu<sub>3</sub>(TMA)<sub>2</sub>(H<sub>2</sub>O)<sub>3</sub>]<sub><i>n</i></sub>. Science, 1999. 283(5405): p. 1148-1150.1. Chui, S.S.-Y., et al., A Chemically Functionalizable Nanoporous Material [Cu<sub>3</sub>(TMA)<sub>2</sub>(H<sub>2</sub>O )<sub>3</sub>]<sub><i>n</i></sub>. Science, 1999. 283(5405): p. 1148-1150.

2. Ureña, N., et al., Multiblock copolymers of sulfonated PSU/PPSU Poly(ether sulfone)s as solid electrolytes for proton exchange membrane fuel cells. Electrochimica Acta, 2019. 302.2. Ureña, N., et al., Multiblock copolymers of sulfonated PSU/PPSU Poly(ether sulfone)s as solid electrolytes for proton exchange membrane fuel cells. Electrochimica Acta, 2019. 302.

3. Talukdar, K. and S.-J. Choi, Tuning of Nafion® by HKUST-1 as coordination network to enhance proton conductivity for fuel cell applications. Journal of Nanoparticle Research, 2016. 18.3. Talukdar, K. and S.-J. Choi, Tuning of Nafion® by HKUST-1 as coordination network to enhance proton conductivity for fuel cell applications. Journal of Nanoparticle Research, 2016. 18.

4. Horike, S., D. Umeyama, and S. Kitagawa, Ion conductivity and transport by porous coordination polymers and metal-organic frameworks. Accounts of chemical research, 2013. 46 11: p. 2376-84.4. Horike, S., D. Umeyama, and S. Kitagawa, Ion conductivity and transport by porous coordination polymers and metal-organic frameworks. Accounts of chemical research, 2013. 46 11: p. 2376-84.

5. Patel, H., et al., Superacidity in Nafion/MOF Hybrid Membranes Retains Water at Low Humidity to Enhance Proton Conduction for Fuel Cells. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016. 8.5. Patel, H., et al., Superacidity in Nafion/MOF Hybrid Membranes Retains Water at Low Humidity to Enhance Proton Conduction for Fuel Cells. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016. 8.

Claims (2)

Протонно-обменная композиционная мембрана SPES/HKUST-1 для твердополимерных топливных элементов, содержащая металлорганическую каркасную структуру HKUST-1, допированнную cульфированным мультиблочным сополимером полисульфона и полифенилсульфона SPES при следующем соотношении компонентов, мас.%:Proton-exchange composite membrane SPES/HKUST-1 for solid polymer fuel cells, containing an organometallic frame structure HKUST-1 doped with a sulfonated multiblock copolymer of polysulfone and polyphenylsulfone SPES in the following ratio, wt.%: HKUST-1HKUST-1 4.5 – 5.54.5 – 5.5 SPESSPES 94.5 – 95.5 94.5 – 95.5 Толщинойthick 48-52 мкм48-52 µm
RU2022116849A 2022-06-22 Proton-exchange membrane based on organometallic framework structure hkust-1 RU2787343C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2787343C1 true RU2787343C1 (en) 2023-01-09

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2373990C2 (en) * 2007-10-10 2009-11-27 Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской Академии Наук (ИПТМ РАН) Composite proton-conducting membrane and method of its manufacturing
US20130313193A1 (en) * 2012-05-25 2013-11-28 Georgia Tech Research Corporation Metal-organic framework supported on porous polymer
CN110212227A (en) * 2019-05-17 2019-09-06 天津工业大学 A kind of preparation method of metal organic framework modified nano fiber proton exchange membrane
WO2019186134A1 (en) * 2018-03-29 2019-10-03 G2O Water Technologies Limited Membranes comprising a layer of metal organic framework particles
CN107158964B (en) * 2017-07-04 2020-03-03 中国石油大学(华东) Composite membrane material based on metal organic framework nanosheets and graphene oxide, preparation method and application in gas separation
WO2021001727A1 (en) * 2019-07-03 2021-01-07 King Abdullah University Of Science And Technology Solution processable metal-organic frameworks via surface functionalization
WO2021041514A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 Board Of Regents, The University Of Texas System Methods of fabricating polymer films and membranes

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2373990C2 (en) * 2007-10-10 2009-11-27 Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской Академии Наук (ИПТМ РАН) Composite proton-conducting membrane and method of its manufacturing
US20130313193A1 (en) * 2012-05-25 2013-11-28 Georgia Tech Research Corporation Metal-organic framework supported on porous polymer
CN107158964B (en) * 2017-07-04 2020-03-03 中国石油大学(华东) Composite membrane material based on metal organic framework nanosheets and graphene oxide, preparation method and application in gas separation
WO2019186134A1 (en) * 2018-03-29 2019-10-03 G2O Water Technologies Limited Membranes comprising a layer of metal organic framework particles
CN110212227A (en) * 2019-05-17 2019-09-06 天津工业大学 A kind of preparation method of metal organic framework modified nano fiber proton exchange membrane
WO2021001727A1 (en) * 2019-07-03 2021-01-07 King Abdullah University Of Science And Technology Solution processable metal-organic frameworks via surface functionalization
WO2021041514A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 Board Of Regents, The University Of Texas System Methods of fabricating polymer films and membranes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kang et al. Post-synthetic modification of porous materials: superprotonic conductivities and membrane applications in fuel cells
Park et al. Chemically durable polymer electrolytes for solid-state alkaline water electrolysis
Iulianelli et al. Sulfonated PEEK-based polymers in PEMFC and DMFC applications: A review
US20080261102A1 (en) Sulfonated-perfluorocyclobutane polyelectrolyte membranes for fuel cells
US20230105570A1 (en) Carbazole-based anion exchange material, preparation method therefor, and use thereof
Zhang et al. Fabrication of a proton exchange membrane via blended sulfonimide functionalized polyamide
MXPA01001600A (en) Blend membranes based on sulfonated poly(phenylene oxide) for enhanced polymer electrochemical cells.
Deng et al. Confined PFSA/MOF composite membranes in fuel cells for promoted water management and performance
US20090209668A1 (en) Reinforced composite membrane for polymer electrolyte fuel cell
US10862151B2 (en) Polyphenylsulfone-based proton conducting polymer electrolyte, proton conducting solid polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer for solid polymer fuel cells, method for producing electrode catalyst layer for slid polymer fuel cells, and fuel cell
KR20240055694A (en) Oxidation-resistant polymers for use as anion exchange membranes and ionomers
Shao et al. Sulfonated covalent organic framework packed Nafion membrane with high proton conductivity for H 2/O 2 fuel cell applications
Zhang et al. Preparation of phosphotungstic acid hybrid proton exchange membranes by constructing proton transport channels for direct methanol fuel cells
JP5189394B2 (en) Polymer electrolyte membrane
Cheng et al. NH group-rich dendrimer doped polybenzimidazole composite membrane with consecutive proton transportation channels for HT-PEMFCs
CN113078343A (en) MOF (metal organic framework) based laminated composite proton exchange membrane as well as preparation method and application thereof
RU2787343C1 (en) Proton-exchange membrane based on organometallic framework structure hkust-1
Yang et al. Enhanced proton conduction of crystalline organic salt hybrid membranes and the performance of fuel cells
JP2013237942A (en) Nanofiber, composite membrane, polyelectrolyte film, catalytic layer for fuel cell, and fuel cell
Leikin et al. High-temperature proton-exchange membranes based on polymer-acid complexes
CN112143019B (en) Method for preparing polybenzimidazole-based porous polymer ion exchange membrane by adopting non-solvent induced phase inversion method and application thereof
CN113912887B (en) Preparation method of PTFE hydrophilic porous ion selective membrane composite material
KR100980997B1 (en) Polymer electrolyte membrane for polymer electrolyte membrane fuel cell and polymer electrolyte membrane fuel cell comprising same
KR100796987B1 (en) Proton conductive branch-type polymer electrolyte membrane and preparation method thereof
Sun et al. A quaternized poly (vinyl alcohol)/chitosan composite alkaline polymer electrolyte: preparation and characterization of the membrane