Ключові слова
Як цитувати
Анотація
Отримано нову протонобмінну мембрану на основі полііміду Matrimid® (ПІ) і гідрофобної протонної іонної рідини біс(трифторметилсульфоніл)іміду 1-метилімідазолію (МІМ-ТФСІ) поливом з розчину в суміші метиленхлорид/диметилформамід. Аналіз методом інфрачервоної спектроскопії свідчить про фізико-хімічну взаємодію між катіонами 1-метилімідазолію та імідними групами ПІ. Згідно з результатами механічних досліджень, композитна плівка ПІ/МІМ-ТФСІ має суттєво знижену міцність на розрив (на 86 %) у порівнянні з чистим полімером. Крім того, методом динамічного механічного аналізу встановлено різке зменшення модуля пружності (E´) полімерної мембрани за температури вище 60 °C.
Для покращення віскоеластичних властивостей протонобмінної мембрани проведено хімічне зшивання ПІ за допомогою поліетераміну Jeffamine® D-2000 в суміші метиленхлорид/диметилформамід, а також у твердій фазі за температури 100 °C. Застосування такого методу дало можливість отримати композитну плівку ПІ/Jeffamine/МІМ-ТФСІ із вмістом іонної рідини 70 масових відсотків, яка має задовільну величину E´ (210 MПа) за температури 140 °C. Згідно з результатами термогравіметричного аналізу, композит має температуру початку деструкції 286 °C. Іонна провідність композитної мембрани ПІ/Jeffamine/МІМ-ТФСІ має порядок 10–4 См/см за кімнатної температури і досягає мінімального рівня 10–3 См/см, необхідного для застосування в паливних елементах, за температури вище 100 °C. Таким чином, результати цієї роботи свідчать, що зшивання полііміду Matrimid гнучким поліетером Jeffamine є ефективним методом отримання суцільної композитної мембрани з високим вмістом протонної іонної рідини. Така мембрана має оптимальне поєднання механічної жорсткості, термічної стійкості та іонної провідності і є перспективною для застосування в паливних елементах, які функціонують за підвищеної температури і за відсутності зволоження.
Посилання
Sridhar S., Veerapur R.S., Patil M.B., Gudasi K.B., Aminabhavi T.M. Matrimid polyimide membranes for the separation of carbon dioxide from methane. J. Appl. Polym. Sci., 2007, 106, 1585-1594.
https://doi.org/10.1002/app.26306
Langevin D., Trong Nguyen Q., Marais S., Karademir S., Sanchez J.-Y., Iojoiu C., Martinez M., Mercier R., Judeinstein P., Chappey C. High-temperature ionic-conducting material: advanced structure and improved performance. J. Phys. Chem. C., 2013, 117, 15552-15561.
https://doi.org/10.1021/jp312575m
Fatyeyeva K., Rogalsky S., Makhno S., Tarasyuk O., Soto Puente J.A., Marais S. Polyimide/ionic liquid composite membranes for middle and high temperature fuel cell applications: water sorption behavior and proton conductivity. Membranes, 2020, 10, 82.
https://doi.org/10.3390/membranes10050082
Rogalsky S., Bardeau J.-F., Makhno S., Tarasyuk O., Babkina N., Cherniavska T., Filonenko M., Fatyeyeva K. New polymer electrolyte membrane for medium-temperature fuel cell applications based on cross-linked polyimide Matrimid and hydrophobic protic ionic liquid. Mater. Today Chem., 2021, 20, 100453.
https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100453
Diaz M., Ortiz A., Ortiz I. Progress in the use of ionic liquids as electrolyte membranes in fuel cells. J. Membrane Sci., 2014, 469, 379-396.
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.06.033
Susan M.A.B.H., Noda A., Mitsushima S., Watanabe M. Brønsted acid-base ionic liquids and their use as new materials for anhydrous proton conductors. Chem. Commun., 2003, 8, 938-939.
https://doi.org/10.1039/b300959a
Wong C.Y., Wong W.Y., Loh K.S., Lim K.L. Protic ionic liquids as next-generation proton exchange membrane materials: current status & future perspectives. React. Funct. Polym., 2022, 171, 105160.
https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2022.105160
Lee S.-Y., Ogawa A., Kanno M., Nakamoto H., Yasuda T., Watanabe M. Nonhumidified intermediate temperature fuel cells using protic ionic liquids. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 9764-9773.
https://doi.org/10.1021/ja102367x
Moschovi A.M., Ntais S., Dracopoulos V., Nikolakis V. Vibrational spectroscopic study of the protic ionic liquid 1-H-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide. Vib. Spectrosc., 2012, 63, 350-359.
https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2012.08.006
Kiffer J., Fries J., Leipertz A. Experimental vibrational study of imidazolium-based ionic liquids: Raman and infrared spectra of 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide and 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate. Appl. Spectrosc., 2007, 61, 1306-1311.
https://doi.org/10.1366/000370207783292000
Kharitonov A.P., Moskvin Yu.L., Syrtsova D.A., Starov V.M., Teplyakov V.V. Direct fluorination of the polyimide Matrimid® 5218: the formation kinetics and physicochemical properties of the fluorinated layers. J. Appl. Polym. Sci., 2004, 92, 6-17.
https://doi.org/10.1002/app.13565
Lee T.H., Lee B.K., Park J.S., Park J., Kang J.H., Yoo S.Y., Park I., Kim Y.-H., Park H.B. Surface modification of Matrimid® 5218 polyimide membrane with fluorine-containing diamines for efficient gas separation. Membranes, 2022, 12, 256.
https://doi.org/10.3390/membranes12030256
Yuriar-Arredondo K., Armstrong M.R., Shan B., Zeng W., Xu W., Jiang H., Mu B. Nanofiber-based Matrimid organogel membranes for battery separator. J. Membrane Sci., 2018, 546, 158-164.
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.10.004
Nistor C., Shishatskiy S., Popa M., Nunes S.P. Composite membranes with cross-linked Matrimid selective layer for gas separation, Environ. Eng. Manag. J., 2008, 7(6), 653-659.
https://doi.org/10.30638/eemj.2008.088
Mondal S., Soam S., Kundu P.P. Reduction of methanol crossover and improved electrical efficiency in direct methanol fuel cell by the formation of a thin layer of Nafion 117 membrane: effect of dip-coating of a blend of sulphonated PVdF-co-HFP and PBI. J. Membrane Sci., 2015, 474, 140-147.
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.09.023
Lufrano E., Simari C., Di Vona M.L., Nicotera I., Narducci R. How the morphology of Nafion-based membranes affects proton transport. Polymers, 2021, 13, 359.