RU2787343C1 - Proton-exchange membrane based on organometallic framework structure hkust-1 - Google Patents
Proton-exchange membrane based on organometallic framework structure hkust-1 Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 58
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 title claims abstract description 24
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229920000491 Polyphenylsulfone Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 229920003288 polysulfone Polymers 0.000 claims abstract description 8
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 28
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 27
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 10
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 25
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 12
- FOYUGSIADQEOEK-UHFFFAOYSA-N 1,1,2,2-tetrafluoroethene;1,1,2,2-tetrafluoro-2-[1,1,1,2,3,3-hexafluoro-3-(1,2,2-trifluoroethenoxy)propan-2-yl]oxyethanesulfonic acid Chemical compound FC(F)=C(F)F.OS(=O)(=O)C(F)(F)C(F)(F)OC(F)(C(F)(F)F)C(F)(F)OC(F)=C(F)F FOYUGSIADQEOEK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 6
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 5
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QMKYBPDZANOJGF-UHFFFAOYSA-N Trimesic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC(C(O)=O)=CC(C(O)=O)=C1 QMKYBPDZANOJGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 3
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000000930 thermomechanical Effects 0.000 description 3
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102000014961 Protein Precursors Human genes 0.000 description 2
- 108010078762 Protein Precursors Proteins 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000001965 increased Effects 0.000 description 2
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 2
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 description 2
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N precursor Substances N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 210000000170 Cell Membrane Anatomy 0.000 description 1
- XTVVROIMIGLXTD-UHFFFAOYSA-N Copper(II) nitrate Chemical compound [Cu+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O XTVVROIMIGLXTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N Fluoromethane Chemical compound FC NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N HCl Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101700059654 KAT8 Proteins 0.000 description 1
- 206010028154 Multi-organ failure Diseases 0.000 description 1
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- QMKYBPDZANOJGF-UHFFFAOYSA-K benzene-1,3,5-tricarboxylate(3-) Chemical compound [O-]C(=O)C1=CC(C([O-])=O)=CC(C([O-])=O)=C1 QMKYBPDZANOJGF-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical group 0.000 description 1
- 229910000050 copper hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- RFKZUAOAYVHBOY-UHFFFAOYSA-M copper(1+);acetate Chemical compound [Cu+].CC([O-])=O RFKZUAOAYVHBOY-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000012456 homogeneous solution Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 101700059482 mof Proteins 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning Effects 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 229920002496 poly(ether sulfone) Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006277 sulfonation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003930 superacid Substances 0.000 description 1
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 1
- QYKIQEUNHZKYBP-UHFFFAOYSA-N vinyl ether Chemical compound C=COC=C QYKIQEUNHZKYBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
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
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%.
SPES, мас.%
94,5-95,5Content
SPES, wt.%
94.5-95.5
4,5-5,5The content of HKUST-1, wt.%
4.5-5.5
48-52Membrane thickness, µm
48-52
проводимость, мСм*см-1.Ionic
conductivity, mSm * cm -1 .
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)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2787343C1 true RU2787343C1 (en) | 2023-01-09 |
Family
ID=
Citations (7)
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)
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 |