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Jun 10, 2023

Prestazioni migliorate della membrana nanocomposita sviluppata su poli solfonato (1, 4

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8238 (2023) Citare questo articolo

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Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) hanno ricevuto molto interesse e utilizzano strutture metallo-organiche (MOF)/membrane nanocomposite polimeriche. La zeolite imidazolo framework-90 (ZIF-90) è stata impiegata come aggiunta nella matrice di poli solfonato (1, 4-fenilene etere-etere-solfone) (SPEES) per studiare la conduttività protonica in una nuova membrana nanocomposita costituita da SPEES /ZIF. L'elevata porosità, la superficie libera e la presenza del gruppo aldeidico nella nanostruttura ZIF-90 hanno un impatto sostanziale sul miglioramento delle capacità di conduttività meccanica, chimica, termica e protonica delle membrane nanocomposite SPEES/ZIF-90. I risultati indicano che l'utilizzo delle membrane nanocomposite SPEES/ZIF-90 con il 3% in peso di ZIF-90 ha prodotto una maggiore conduttività protonica fino a 160 mS/cm a 90 °C e 98% di umidità relativa (RH). Si tratta di un miglioramento significativo rispetto alla membrana SPEES che presentava una conduttività protonica di 55 mS/cm nelle stesse condizioni, indicando un aumento delle prestazioni di 1,9 volte. Inoltre, la membrana SPEES/ZIF-90/3 ha mostrato un notevole miglioramento del 79% nella densità di potenza massima, raggiungendo un valore di 0,52 W/cm2 a 0,5 V e 98% RH, che è del 79% superiore a quello della membrana SPEES originaria .

L’impatto negativo dell’uso diffuso di combustibili fossili sull’ambiente, in particolare per quanto riguarda il cambiamento climatico, ha portato a sforzi significativi per identificare e implementare alternative fattibili e sostenibili. Di conseguenza, vi è una crescente attenzione all’esplorazione e all’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili rispettose dell’ambiente, compreso l’idrogeno. Uno dei sistemi di produzione di energia che utilizza il combustibile a idrogeno sono le celle a combustibile1. I ricercatori si sono interessati alla cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) come tecnologia energetica verde tra le varie celle a combustibile, per le sue caratteristiche e vantaggi distintivi. Questi vantaggi includono velocità di avvio, efficienza e densità di corrente elevate, oltre a una bassa temperatura di esercizio e un funzionamento senza emissioni2. In realtà, una delle parti più essenziali delle PEMFC è la membrana a scambio protonico, che determina direttamente se la cella a combustibile funziona correttamente o meno. Pertanto, preparare una membrana adatta per l'applicazione e accelerare il processo di commercializzazione in PEMFC è stato uno degli obiettivi principali di molti ricercatori3. Recentemente sono stati studiati come alternativi numerosi polimeri non fluorurati, come il poli (etere etere chetone) solfonato4, il poli (ftalazinone etere chetone) solfonato5,6, l'alcol polivinilico7 e il polietere solfone solfonato8,9,10. alla Nafion commerciale. È stata identificata una nuova famiglia di polimeri di coordinazione noti come strutture metallo-organiche (MOF), costituiti da cluster metallici attaccati a ligandi organici che hanno una struttura cristallina tridimensionale11. I MOF hanno varie applicazioni come stoccaggio, separazione e catalisi e sono utilizzati anche come trasportatori biologici in medicina12,13,14,15. Tra le varie applicazioni, un gran numero di MOF hanno mostrato buone potenzialità per la conduzione di protoni e ioni16,17,18. I MOF hanno un'elevata conduttività protonica grazie al loro design altamente flessibile, alla superficie libera e all'elevata porosità11,19. Lo ZIF appartiene alla grande famiglia dei MOF ed è realizzato collegando uno ione metallico bivalente (spesso Zn2+) a quattro linker anionici imidazolici. Ha caratteristiche come un'area superficiale molto elevata, grande stabilità termica e chimica e una struttura flessibile e controllabile20,21. La presenza dell'anello imidazolico, secondo il gruppo Zhang22, aumenta la conduttività protonica.

Pertanto, le membrane nanocomposite, che sono una combinazione di MOF e polimeri, sono una delle prospettive brillanti in PEMFC11; perché le buone proprietà dei MOF incorporati nel polimero portano alla produzione di nuove membrane nanocomposite. Numerosi rapporti sulla produzione di nuove membrane nanocomposite che combinano polimero e vari MOF come ZIF-823,24,25,26, UIO-6627,28, HKUST-129, CPO-27-Mg30, MIL -53-Al30, MIL -101 (Cr)31,32 e MOF-80833.