بخشی از مقاله
چکیده
کنترل مورفولوژی و ساختار غشای تبادل پروتون بر پایه سازه نانولیفی بهعنوان یکی از اجزای کلیدی پیل سوختی، نقش اساسی در بهبود هدایت پروتون و درنتیجه عملکرد پیل سوختی دارد. در این پژوهش تأثیر درجه سولفونه و نحوه آرایش نانوالیاف هادی پروتون درون ساختار سهبعدی غشای نانولیفی بر روی رفتار انتقال پروتون آن بررسی شد. به این منظور سازههای نانولیفی با آرایش یافتگی های متفاوت تصادفی و موازی شده در صفحه از نانوالیاف پلیاتراترکتون سولفونه شده - SPEEK - در درجههای سولفونه مختلف %63، %74 و %81 الکتروریسی شد.
افزایش درجه سولفونه و سرعت برداشت نانوالیاف منجر به کاهش قطر نانوالیاف گردید. میزان جذب آب بیشتری برای نانوالیاف موازی در درجه سولفونه بالاتر مشاهده شد که در تسهیل انتقال پروتون در غشای نانولیفی نقش مهمی دارد. هدایت پروتونی اندازه گیری شده در دمای محیط و رطوبت نسبی 100 درصد، بهبود هدایت پروتونی را برای نانوالیاف با آرایش موازی نشان داد که رشد بیشتری در درجه سولفونه بالاتر داشته است. بیشترین مقدار هدایت پروتونی برابر با 90/7 mS/cm برای نانوالیاف موازی SPEEK در درجه سولفونه %81 بدست آمد.
-1 مقدمه
انرژی و محیط زیست، یکی از مشکلات پیش روی جامعه بشری در قرن 21 میباشد. باتوجه به چالش های میزان مصرف در حوزه انرژی و منابع محدود سوخت های فسیلی و آلودگی های زیست محیطی ناشی از مصرف این سوختها، توسعه فناوری و وسایل تبدیل انرژی پاک یکی از موضوعاتی است که باید به صورت اساسی مورد توجه قرار گیرد. پیل سوختی، از جمله وسایل تبدیل انرژی پاک به شمار می رود که تا زمان تغذیه شدن توسط سوخت، انرژی شیمیایی را به صورت پیوسته به انرژی الکتریکی و مقداری حرارت تبدیل می کند.
خروجی این وسیله الکتروشیمیایی طی فرآیند تبدیل انرژی، آب است که آنرا تبدیل به یه یک فناوری دوستدار محیط زیست کرده است .>1@ یکی از اجزای مهم در هر پیل سوختی، غشای تبادل پروتون است که به عنوان قلب پیل شناخته می شود. غشای تبادل پروتون، به عنوان بستری برای هدایت پروتون - یون های - H+ و جداکننده واکنشگرها درون پیل عمل می کند که بهبود عملکرد آن نقش بسزایی در افزایش بازدهی انرژی پیل سوختی دارد .>1-3@
نگاه اجمالی به مطالعات صورت گرفته نشان از این دارد که امروزه استفاده از مواد نانومقیاس در غشاهای تبادل پروتون، یکی از راهحلهای مفید در استفاده از پتانسیل این فناوری رو به رشد برای توسعه و رفع محدودیت خواص غشاهای تبادل پروتونی متداول از قبیل غشاهای نفیونی است .>4@ در میان مواد نانومقیاس، نانوالیاف با ویژگیهای جالب توجه خود میتوانند بستر مناسبی برای هدایت پروتون باشند؛ که با استفاده از روش الکتروریسی امکان تولید و کنترل مورفولوژی، نظم قرارگیری در ساختار سه بعدی و اجزا تشکیل دهنده نانوالیاف وجود دارد.
در این مطالعه، پلیمر پلی اتراتر کتون سولفونه شده - SPEEK - با قابلیت هدایت پروتون با استفاده از واکنش سولفونه کردن تهیه شد و غشای تبادل پروتون بر پایه نانوالیاف SPEEK بوسیله روش الکتروریسی تولید شد. در این پژوهش، تأثیر متغیرهای دما و زمان واکنش سولفونه کردن بر روی درجه سولفونه پلیمر SPEEK و همچنین اثر درجه سولفونه و نحوه آرایش یافتگی نانوالیاف بر روی هدایت پروتونی غشای نانولیفی مطالعه شد.
-2 تجربیات
1؛-2 مواد مصرفی
در این پژوهش از پلیاتراترکتون 1 - PEEK - تهیه شده از شرکت سیگما آلدریچ2 - وزن مولکولی متوسط وزنی: - 20800 g/mol بهعنوان پلیمر پایه غیر فلورینه برای سنتز پلیاتراترکتون سولفونه شده 3 - SPEEK - استفاده شد. اسیدسولفوریک غلیظ -98% - - 95 بهعنوان عامل سولفونه کننده و از محلولهای 0/05 مولار NaOH و 1 مولار NaCl در تعیین ظرفیت تبادل یونی و درجه سولفونه به کار گرفته شدند. برای تهیه محلول پلیمری جهت الکتروریسی از حلال دی متیل استامید - DMAc - استفاده شد.
2؛-2 واکنش سولفونه کردن
برای ایجاد مکانهای تبادل پروتون بر روی پلیمر پلیاتراترکتون و تهیه پلیمری باقابلیت هدایت پروتون از واکنش سولفونه کردن استفاده شد. واکنش سولفونه کردن، یک واکنش جایگزینی الکتروندوست4 است که طی آن گروه SO3H به حلقه آروماتیک در واحد تکرار پلیمر پلیاتراترکتون متصل میشود .>5@ در این مطالعه واکنش سولفونه کردن بهصورت ناهمگن انجام شد که در آن اسیدسولفوریک غلیظ - %98-95 - بهعنوان عامل حلکننده و سولفونه کننده عمل میکند. برای دستیابی به درجه سولفونه مطلوب، متغیرهای دما و زمان واکنش مورد بررسی قرار گرفت.
3؛-2 الکتروریسی سازههای نانولیفی
برای جمعآوری نانوالیاف هادی پروتون با آرایش یافتگیهای مختلف تصادفی و موازی، از چیدمان غلتک چرخان به همراه الکترود کمکی بر روی سوزن الکتروریسی استفاده شد - شکل . - 1 محلول پلیمری SPEEK/DMAc با غلظت 22 wt%، نرخ تغذیه ml/h 0/1، ولتاژ اعمالی 15kV و فاصله ریسندگی 15cm بهعنوان پارامترهای ثابت الکتروریسی در تولید نانوالیاف SPEEK در نظر گرفته شدند . نانوالیاف SPEEK در سه درجه سولفونه مختلف 63، 74 و %81 بر روی غلتک چرخان با سرعتهای برداشت 0/33 m/s و 5/08 m/s به ترتیب با آرایش یافتگیهای تصادفی و موازی جمعآوری شدند.
4؛-2 مشخصه یابی
برای ارزیابی قطر، تغییرات قطری و حضور یا عدم حضور دانه در نانوالیاف الکتروریسی شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM,Philips XL-30 - استفاده شد. برای اندازهگیری درجه سولفونه تحت شرایط مختلف واکنش سولفونه کردن و همچنین تعیین ظرفیت تبادل یونی نمونه سولفونه شده از روش استاندارد تیتراسیون اسید و باز استفاده شد.
برای اندازهگیری میزان هدایت پروتون غشاهای نانولیفی از طیفسنجی امپدانس الکتروشیمیایی بهوسیله دستگاه پتانسیواستات/گالوانواستات اتولب5 استفاده شد. دادههای امپدانس در محدوده فرکانسی 1MHz الی 100mHz و دامنه 50mV ولتاژ AC در پتانسیل DC صفر به دست آمد. نمونهها قبل از انجام آزمایش، به مدت 5 ساعت در داخل آب دیونیزه و در دمای محیط غوطهور شده و به هنگام انجام آزمایش آب اضافی بر روی سطح نمونه توسط کاغذ جاذب رفع شد.
-3 بحث و نتایج
برای دستیابی به پلیمر سولفونه شده، متغیرهای دما و زمان واکنش در نسبت وزن پلیمر به حجم اسید - 1/10 w/v% - مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که انتظار میرفت، با افزایش دما و افزایش زمان واکنش میزان ظرفیت تبادل یونی - IEC - و درجه سولفونه - DS - پلیمر SPEEK افزایش یافته است - شکل 2، الف - .
