اثر افزودن پلی‌یورتان و نانوذرات سیلیکا بر خواص رسانندگی غشای پلی‌اتر سولفون سولفون‌دارشده

فرضیه: در سال‌های اخیر با توجه به کاهش منابع انرژی در دسترس، پیشرفت‌های شایان توجهی در زمینه مطالعه پیل‌های سوختی و به‌ویژه سلول‌های دارای متانول به‌عنوان منابع تامین انرژی حاصل شده است. غشای الکترولیتی از اجزای مهم سلول‌های سوختی به‌شمار می‌آید که نقش انتقال پروتون و به‌دام انداختن متانول را ایفا می‌کند. غشای الکترولیتی باید پایداری شیمیایی و الکتروشیمیایی و نیز مقاومت مکانیکی زیادی را در شرایط عملیاتی داشته باشد. همچنین، رسانندگی پروتون زیاد برای عملکرد بهتر غشای پیل سوختی لازم است.روش‌ها: در این پژوهش، غشاهای جدید نانوکامپوزیتی به‌عنوان الکترولیت برای کاربرد در سلول‌های سوختی تهیه شدند. بدین منظور، دو نوع غشا شامل پلی‌اترسولفون سولفون‌دارشده (spes) و آمیخته‌ آن با پلی‌یورتان (pu) به‌عنوان غشاهای پایه انتخاب شدند. ابتدا، پلی‌اتر سولفون با استفاده از سولفونیک اسید، سولفون‌دار و با pu و(spes/pu) آمیخته شد. سپس، نانوذرات سیلیکا با درصد‌های وزنی متفاوت (3، 5 و %8 وزنی) به غشای آمیخته‌ای (spes/pu/sio2) اضافه شدند. خواص غشاهای  تهیه‌شده با آزمون‌های طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (ftir)، پراش پرتو x، گرماوزن‌سنجی، جذب آب و متانول، اندازه‌گیری رسانندگی پروتون و میکروسکوپی الکترونی پویشی بررسی شد. یافته‌ها: نتایج توزیع مناسب pu را در غشاهای تهیه‌شده نشان داد که دلیل آن تشکیل پیوندهای هیدروژنی میان گروه‌های قطبی spes و pu بوده است. از این‌رو، رسانندگی غشاهای آمیخته‌ای با سازوکار افزایش قطبیت نسبت به نمونه‌های خالص بدون افزایش شدید در جذب آب و متانول، %74 افزایش یافت. همچنین، افزودن نانوذرات سیلیکا به غشای آمیخته‌ای seps/pu و تهیه غشای نانوکامپوزیتی spes/pu/sio2، موجب تشکیل پیوند کووالانسی میان این ذرات با گروه‌های سولفونیک اسید در spes، پیوند هیدروژنی با گروه‌های قطبی در spes و pu و نیز چسبندگی بیشتر میان فازها شد. در نتیجه، شکل‌شناسی غشای نانوکامپوزیتی با سازوکار کاهش حفره‌ها و فضاهای خالی اصلاح شد. در نهایت، رسانندگی غشای نانوکامپوزیتی نسبت به نمونه خالص spes فقط با 11 و %8 افزایش به‌ترتیب در جذب آب و متانول، %53.13 افزایش یافت.

The Influence of Adding Polyurethane and Silica Nanoparticles on Conductivity Properties of Sulfonated Polyethersulfone Membrane

Hypothesis: In recent years, with the shortage of conventional energy resources, there has been a great advancement in the study of fuel cells particularly hydrogenmethanol types as an important energy alternative. One of the main components in such fuel cells is an electrolyte membrane whose main function is to carry protons and capture methanol. The electrolyte membrane must have a high chemical and electrochemical stability plus mechanical resistance. In addition, high proton conductivity is required to support better fuel cell performance.Methods: In this research, novel nanocomposite membranes were prepared as electrolyte for application in fuel cells. For this purpose, two types of membranes, including sulfonated polyethersulfone (SPES) and its blend with polyurethane (PU), were chosen as base membranes. At first, polyethersulfone was sulfonated by using sulfonic acid and blended with PU. Then, silica nanoparticles with different percentages (3, 5, and 8 wt%) were added to blend membrane (SPES/PU/SiO2). The prepared membranes properties were studied by Fourier transform spectroscopy (FTIR), Xray diffraction analysis, thermogravimetry (TGA), water and methanol uptake test, proton conductivity test and scanning electron microscopy (SEM).Findings: The results suggested that there was a proper distribution of PU into the prepared membrane through forming hydrogen bonds between polar groups of SEPS and PU. Hence, by the mechanism of increasing polarity, the conductivity in SPES/PU blend membrane was increased (74%), comparing to its pure samples without intense increase in water and ethanol uptake. Additionally, by adding the silica nanoparticles to a SEPS/PU blend membrane and forming SPES/PU/SiO2 nanocomposite membrane, these particles formed a higher adhesion between the phases by forming covalent bonds with sulfonic acid groups of SPES and forming hydrogen bond with polar groups of PU and SPES. As a result, the morphology was modified by the mechanism of decreasing cavities and voidages. Finally, the conductivity of SPEC/PU/SiO2 nanocomposite membrane compared to that of the SPES pure sample increased by 53.13% only by an increase of 11% and 8% in water and methanol uptake, respectively.