Silika destekli, fosforlanmış poli(vinil alkol) bazlı membranların sentezlenmesi ve karakterizasyonu

Synthesis and characterization of phosphonated poly(vinyl alcohol) based membrane with silica support

Özet

Polimer elektrolit membranlı yakıt hücreleri (PEMYH), yüksek verimliliğe sahip, güvenilir ve çevre dostusistemler olmaları nedeniyle, son yıllarda araçlar ve diğer taşınabilir uygulamalar için en çok gelecek vaat edenalternatif enerji kaynağı adayıdır. PEMYH’ nin en önemli kısmı, anottan katota proton taşınımını sağlayan veyakıt ile oksitleyici gazların temasını engellemek için bariyer görevi yapan polimer elektrolit membranlardır.Nafion® gibi perflorosülfonik asit bazlı polimer membranlar, sahip oldukları kimyasal, mekanik özellikler veyüksek proton iletkenlikleri nedeniyle PEMYH’ inde elektrolit olarak sıklıkla kullanılmaktadırlar. Ancak Nafion®membranların yüksek sıcaklıklarda proton iletkenliklerinin düşmesi ve pahalı olmaları nedeniyle alternatifmembran malzemeleri geliştirmeye yönelik yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmanın amacı; polimerelektrolit membranlı yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere, Nafion® membranlara göre daha iyi özelliklere sahipve ucuz, polivinil alkol (PVA) bazlı kompozit polimerik membran geliştirilmesidir. Membranların fosfonasyonişlemleri Hipofosforöz asit ($H _3PO _2$) kullanılarak yapılmıştır. Daha sonra farklı oranlarda yapıya tetraetil ortosilikat(TEOS) eklenerek membranlar sentezlenmiştir. Bu şekilde hem fosfonasyon derecesinin hem de katkı maddesininmembran özelliklerine etkisi incelenmiştir. Sentezlenen membranlar, Fourier Dönüşüm Kızılötesi Spektroskopisi(FT-IR) , su tutma kapasiteleri, şişme özellikleri, iyon değişim kapasiteleri ve iletkenlik ölçümleri ile karakterizeedilmişlerdir. Membranların su tutma yüzdeleri katkı miktarlarına bağlı olarak şişme özelliği göstermeden %20- 140, iyon değişim kapasiteleri 1,35 – 2,86 meq/g, proton iletkenlikleri ise oda sıcaklığında ve %100 nemlilikte0,56 – 3,43 mS/cm aralığında değişmiştir. Sonuç olarak, yakıt hücreleri için bu çalışmada geliştirilen membranlar,günümüzde en çok kullanılan ve pahalı olan perflorlu membranlara alternatif olması açısından ümit vermiştir.

Abstract

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are considered to be the promising alternative energy sourcefor vehicles and other portable applications due to their high efficiency, confidence and being an environmentallyfriendly technology. The most important part of PEMFC is polymer electrolyte membrane that serves as carrier forthe transportation of protons from anode to cathode and acts as a barrier to avoid the contact between the fuel andoxidant. The perfluorosulfonic acid polymer membranes such as Nafion®, are used as the electrolytes in PEMFCbecause of their favorable chemical features and high proton conductivity. However, because of loss of protonconductivity of Nafion® membranes at high temperatures and their high cost causes to large number of studieshave been devoted to develop alternative membrane materials. The aim of this study is to develop poly(vinylalcohol) (PVA) based composite membranes for fuel cells that has better properties and cheaper than the Nafion®membrane. PVA based membranes with different molar ratios were prepared to understand the effect of theirhypophosphorous acid ($H _3PO _2$) and tetraethyl orthosilicate (TEOS) contents on the conductivity of themembranes. Membranes were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), water uptakecapacity, swelling ratios, ion exchange capacity and conductivity measurements. Water uptake percentages ofmembranes without swelling were found as changing in the range of %20-140 depending on their doped materialcontent. Ion exchange capacities of membranes change in the range of 1.35 – 2.86 meq/g and their protonconductivities at room temperature and 100% RH take place in the range of 0.56 – 3.43 mS/cm. Thesemembranes which were developed in this study for fuel cells, are promising alternative for expensive commercialperflorunated membranes.