office@icp.ac.ru
+7 496 522-51-64
|
В недавнем исследовании были систематически изучены механические, электрические и морфологические свойства термообработанных пленок на основе короткоцепочечного перфторированного сульфокислотного иономера (SSCI) со структурой Aquivion. Используя динамический механический анализ (DMA), малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) и импедансную спектроскопию, ученые выяснили, как температура отжига мембран (140, 150 и 160 °C) — выше температуры стеклования SSCI — и характер жидкой фазы в полимерной дисперсии влияют на структурные параметры мембран, в частности на размер проводящих каналов, образуемых гидрофильными сульфоновыми группами. Анализы SAXS и AFM показали, что мембраны, отлитые из N,N-диметилацетамида (DMAA), обладают более плотной и менее структурированной морфологией, что приводит к снижению проницаемости для водорода (φ = 4.6 ± 0.7 нмоль/м/с/МПа), сопоставимой с коммерческой мембраной Nafion 211 (φ = 6.5 нмоль/м/с/МПа), но с значительно более низкой проводимостью протонов (35 ± 5 мС/см) по сравнению с Nafion 211 (95 мС/см). В то же время, мембраны, полученные из водно-спиртовой смеси, продемонстрировали четко выраженную структуру (SAXS, AFM), с проводимостью протонов в диапазоне 70–103 мС/см, что сопоставимо с Nafion 211. Однако проницаемость для водорода этих мембран значительно варьировалась в зависимости от условий отжига (φ = 5.5–65.3 нмоль/м/с/МПа).  Данные SAXS показали, что мембраны имели схожую степень кристалличности (11–13%), но отличались по положению пика иона и колена матрицы, что связано с изменениями в размере проводящих каналов и объясняет наблюдаемые различия в ионной проводимости. Мембраны, отожженные при 150 °C, которые продемонстрировали значения проницаемости для водорода и ионной проводимости, близкие к коммерческой мембране Nafion 211, были использованы для изготовления сборок мембрана-электрод (MEA). Электрохимические характеристики этих MEA были исследованы при 30 и 60 °C, 100% относительной влажности, как при атмосферном давлении, так и под давлением 200 кПа. При плотности тока 1.75 A/cm² изготовленные мембраны продемонстрировали выход мощности до 550 и 950 мВт/см², что сопоставимо, а иногда и превышает показатели коммерческой мембраны Nafion 211 (700 мВт/см²). Однако, несмотря на высокую производительность, была отмечена значительная деградация мембраны после 10,000 циклов в испытаниях на долговечность. Эти результаты способствуют более глубокому пониманию взаимосвязи между электрохимическими свойствами и структурой короткоцепочечных перфторированных сульфокислотных иономеров с структурой Aquivion, что ожидается повысит их применение в топливных элементах. В исследовании принимал участие коллектив авторов ФИЦ ПХФ и МХ РАН: Татьяна Стаценко – Лаборатория новых синтетических методов (ИФАВ), Евгений Сангинов – Лаборатория супериоников, Андрей Бельмесов – лаборатория технологий материалов и устройств электрохимических источников, Алина Марясевская – Лаборатория перспективных материалов для биомедицины и энергетики, Алексей Левченко – Центр компетенции по технологиям новых и мобильных источников энергии, Дмитрий Иванов – лаборатория фоточувствительных и электроактивных материалов при участии коллег из других исследовательских центров:
Sergey S. Golubkov, Aleksey P. Melnikov, Tatiana G. Statsenko, Evgeny A. Sanginov, Andrey A. Belmesov, Grigorii M. Don, Vladimir S. Likhomanov, Aleksey V. Kireynov, Alexey M. Kashin, Alina V. Maryasevskaya, |
В недавнем исследовании были систематически изучены механические, электрические и морфологические свойства термообработанных пленок на основе короткоцепочечного перфторированного сульфокислотного иономера (SSCI) со структурой Aquivion. Используя динамический механический анализ (DMA), малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) и импедансную спектроскопию, ученые выяснили, как температура отжига мембран (140, 150 и 160 °C) — выше температуры стеклования SSCI — и характер жидкой фазы в полимерной дисперсии влияют на структурные параметры мембран, в частности на размер проводящих каналов, образуемых гидрофильными сульфоновыми группами.
Анализы SAXS и AFM показали, что мембраны, отлитые из N,N-диметилацетамида (DMAA), обладают более плотной и менее структурированной морфологией, что приводит к снижению проницаемости для водорода (φ = 4.6 ± 0.7 нмоль/м/с/МПа), сопоставимой с коммерческой мембраной Nafion 211 (φ = 6.5 нмоль/м/с/МПа), но с значительно более низкой проводимостью протонов (35 ± 5 мС/см) по сравнению с Nafion 211 (95 мС/см). В то же время, мембраны, полученные из водно-спиртовой смеси, продемонстрировали четко выраженную структуру (SAXS, AFM), с проводимостью протонов в диапазоне 70–103 мС/см, что сопоставимо с Nafion 211. Однако проницаемость для водорода этих мембран значительно варьировалась в зависимости от условий отжига (φ = 5.5–65.3 нмоль/м/с/МПа).
Данные SAXS показали, что мембраны имели схожую степень кристалличности (11–13%), но отличались по положению пика иона и колена матрицы, что связано с изменениями в размере проводящих каналов и объясняет наблюдаемые различия в ионной проводимости. Мембраны, отожженные при 150 °C, которые продемонстрировали значения проницаемости для водорода и ионной проводимости, близкие к коммерческой мембране Nafion 211, были использованы для изготовления сборок мембрана-электрод (MEA). Электрохимические характеристики этих MEA были исследованы при 30 и 60 °C, 100% относительной влажности, как при атмосферном давлении, так и под давлением 200 кПа. При плотности тока 1.75 A/cm² изготовленные мембраны продемонстрировали выход мощности до 550 и 950 мВт/см², что сопоставимо, а иногда и превышает показатели коммерческой мембраны Nafion 211 (700 мВт/см²). Однако, несмотря на высокую производительность, была отмечена значительная деградация мембраны после 10,000 циклов в испытаниях на долговечность.
Эти результаты способствуют более глубокому пониманию взаимосвязи между электрохимическими свойствами и структурой короткоцепочечных перфторированных сульфокислотных иономеров с структурой Aquivion, что ожидается повысит их применение в топливных элементах.
В исследовании принимал участие коллектив авторов ФИЦ ПХФ и МХ РАН: Татьяна Стаценко – Лаборатория новых синтетических методов (ИФАВ), Евгений Сангинов – Лаборатория супериоников, Андрей Бельмесов – лаборатория технологий материалов и устройств электрохимических источников, Алина Марясевская – Лаборатория перспективных материалов для биомедицины и энергетики, Алексей Левченко – Центр компетенции по технологиям новых и мобильных источников энергии, Дмитрий Иванов – лаборатория фоточувствительных и электроактивных материалов
при участии коллег из других исследовательских центров:
- Московский физико-технический институт, Национальный исследовательский институт, Долгопрудный, Россия
- Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Москва, Россия
- Группа компаний InEnergy, Москва, Россия
- Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Москва, Россия
- Институт наук о материалах, Франция
Sergey S. Golubkov, Aleksey P. Melnikov, Tatiana G. Statsenko, Evgeny A. Sanginov, Andrey A. Belmesov, Grigorii M. Don, Vladimir S. Likhomanov, Aleksey V. Kireynov, Alexey M. Kashin, Alina V. Maryasevskaya,
Alexey V. Levchenko, Ioannis Moutsios, Dimitri A. Ivanov, Sofia M. Morozova // Short-side-chain perfluorinated polymeric membranes annealed at high temperature: Structure, conductivity, and fuel cell performance // International Journal of Hydrogen Energy, Volume 87, 18 October 2024, Pages 431-441, Q-1, IF-8.1