Cải tiến quá trình tái cấu trúc metanol điện hóa (ECMR) sử dụng màng sulfonat PVDF/ZrP giá rẻ để sản xuất hydro

Springer Science and Business Media LLC - Tập 22 - Trang 2757-2765 - 2018
Manjula Narreddula1,2, R. Balaji1, K. Ramya1, K. S. Dhathathreyan1, N. Rajalakshmi1, A. Ramachandraiah
1Centre for Fuel Cell Technology, International Advanced Research Centre for Powder Metallurgy and New Materials (ARCI), IIT M Research Park, Chennai, India
2Department of Chemistry, National Institute of Technology, Warangal, India

Tóm tắt

Màng điện phân polymer (PEM) cho quá trình tái cấu trúc metanol điện hóa (ECMR) đã thu hút được sự quan tâm như một phương pháp thực tiễn để sản xuất hydro thay vì điện phân nước do điện áp hoạt động thấp. Việc phát triển PEM thay thế cho ứng dụng này là rất quan trọng nhằm giảm chi phí cũng như cải thiện hiệu suất hệ thống. Hiện tại, một màng composite SPVDF/ZrP mới đã được tổng hợp như một màng trao đổi proton cho sản xuất hydro thông qua ECMR. Các hạt PVDF-co-HFP đã được khử flo bằng cách xử lý kiềm, tiếp theo là sulfon hóa bằng axit chlorosulfonic để chế tạo polymer sulfonat. Phosphat zircon (ZrP) đã được thêm vào để tăng cường độ dẫn proton. Các màng đã được đặc trưng về tính chất lý hóa, độ bền cơ học và ổn định nhiệt. Việc nâng cao khả năng trao đổi proton và lượng nước hấp thụ với độ ổn định kích thước thích hợp đã được quan sát thấy với sự khử flo và sự ngâm ZrP. Một bộ điện phân mới bao gồm Pt-Ru/C làm điện cực anode, cùng cấu trúc với điện cực cathode và màng composite SPVDF/ZrP đã được lắp ráp và hiệu suất của nó đã được thử nghiệm cho việc sản xuất hydro. Kết quả cho thấy màng composite SPVDF/ZrP cho hiệu suất tế bào điện hóa tốt với 0,65 V ở mật độ dòng 0,15 A cm−2 ở nhiệt độ môi trường và có khả năng vận hành tế bào ECMR ở mật độ dòng cao hơn để tăng tỷ lệ sản xuất hydro, điều này có thể so sánh với hiệu suất của màng thương mại Nafion® 117.

Từ khóa

#màng điện phân polymer #tái cấu trúc metanol điện hóa #sản xuất hydro #sulfonat PVDF/ZrP #dẫn proton

Tài liệu tham khảo

Cloutier CR, Wilkinson DP (2010) Electrolytic production of hydrogen from aqueous acidic methanol solutions. Int J Hydrog Energy 35:3967–3984 9 Take T, Tsurutani K, Umeda M (2007) Hydrogen production by methanol–water solution electrolysis. J Power Sources 164:9–16 1 Velayutham P, Sahu AK, Parthasarathy S (2017) A Nafion-ceria composite membrane electrolyte for reduced methanol crossover in direct methanol fuel cells. Energies 10:259 Hobson LJ, Ozu H, Yamaguchi M, Hayase S (2001) Modified Nafion 117 as an improved polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cells. J Electrochem Soc 148:A1185 10 Yamauchi A, Ito T, Yamaguchi T (2007) Low methanol crossover and high performance of DMFCs achieved with a pore-filling polymer electrolyte membrane. J Power Sources 174:170–175 1 Nasef MM (2014) Radiation-grafted membranes for polymer electrolyte fuel cells: current trends and future directions. Chem Rev 114:12278–12329 24 Han J, Peng H, Pan J, Pan J, Wei L, Li G, Chen C, Xiao L, Lu J (2013) Highly stable alkaline polymer electrolyte based on a poly(ether ether ketone) backbone. ACS Appl Mater Interfaces 5:13405–13411 24 Mannarino MM, Liu DS, Hammond PT, Rutledge GC (2013) Mechanical and transport properties of layer-by-layer electrospun composite proton exchange membranes for fuel cell applications. Appl Mater Interfaces 5:8155–8164 16 Rao S, Xiu R, Si J, Lu S, Yang M, Xiang Y (2014) In situ synthesis of nanocomposite membranes: comprehensive improvement strategy for direct methanol fuel cells. ChemSusChem 7:822–828 3 Ren X, Springer TE, Gottesfeld S (2000) Water and methanol uptakes in Nafion membranes and membrane effects on direct methanol cell performance. J Electrochem Soc 147:92–98 1 Das S, Kumar P, Dutta K, Kundu PP (2014) Partial sulfonation of PVdF-co-HFP: a preliminary study and characterization for application in direct methanol fuel cell. Appl Energy 113:169–177 Kumar P, Dutta K, Das S, Kundu PP (2014) Membrane prepared by incorporation of crosslinked sulfonated polystyrene in the blend of PVdF-co-HFP/Nafion: a preliminary evaluation for application in DMFC. Appl Energy 123:66–74 Hietala S, Koel M, Skou E, Elomaa M, Sundholm F (1998) Thermal stability of styrene grafted and sulfonated proton conducting membranes based on poly(vinylidene fluoride). J Mater Chem 8:1127–1132 5 Mago G, Kalyon DM, Fisher FT (2008) Membranes of polyvinylidene fluoride and PVDF nanocomposites with carbon nanotubes via immersion precipitation. J Nanomater 2008:8 Vinogradov A, Holloway F (1999) Electro-mechanical properties of the piezoelectric polymer PVDF. Ferroelectrics 226:169–181 1 Manjula N, Balaji R, Ramya K, Dhathathreyan KS, Ramachandraiah A (2016) Studies on development of titania nanotube (TNT) based ePTFE-Nafion®-composite membrane for electrochemical methanol reformation. Int J Hydrog Energy 41:8777–8787 21 Farrokhzad H, Moghbeli MR, Van Gerven T, Van Der Bruggen B (2015) Surface modification of composite ion exchange membranes by polyaniline. React Funct Polym 86:161–167 Subianto S, Choudhury N, Dutta N (2013) Composite electrolyte membranes from partially fluorinated polymer and hyperbranched, sulfonated polysulfone. Nano 4:1–18 Casciola M, Capitani D, Comite A, Donnadio A, Frittella V, Pica M, Sganappa M, Varzi A (2008) Nafion-zirconium phosphate nanocomposite membranes with high filler loadings: conductivity and mechanical properties. Fuel Cells 8:217–224 3–4 Alberti G, Casciola M, Capitani D, Donnadio A, Narducci R, Pica M, Sganappa M (2007) Novel Nafion-zirconium phosphate nanocomposite membranes with enhanced stability of proton conductivity at medium temperature and high relative humidity. Electrochim Acta 52:8125–8132 28 Pandey J, Seepana MM, Shukla A (2015) Zirconium phosphate based proton conducting membrane for DMFC application. Int J Hydrog Energy 40:9410–9421 30 Vandiver MA, Caire BR, Carver JR, Jordan R, Carver WK, Hibbs MR, Varcoe JR, Herring AM, Liberatore MW (2014) Mechanical characterization of anion exchange membranes by extensional rheology under controlled hydration. J Electrochem Soc 161:H677–H683 10 Abu-Thabit NY, Ali SA, Zaidi SMJ, Mezghani K (2012) Novel sulfonated poly(ether ether ketone)/phosphonated polysulfone polymer blends for proton conducting membranes. J Mater Res 27:1958–1968 15 Farrokhzad H, Kikhavani T, Monnaie F, Ashrafizadeh SN, VanGerven GKT (2015) Novel composite cation exchange films based on sulfonated PVDF for electromembrane separations. J Memb Sci 474:167–174 Rabuni MF, Nik Sulaiman NM, Aroua MK, Hashim NA (2013) Effects of alkaline environments at mild conditions on the stability of PVDF membrane: an experimental study. Ind Eng Chem Res 52:15874–15882 45 Sharma PP, Gahlot S, Kulshrestha V (2017) One pot synthesis of PVDF based copolymer proton conducting membrane by free radical polymerization for electro-chemical energy applications. Colloids Surf A Physicochem Eng Asp 520:239–245 Liu XQ, Wang DY, Wang XL, Chen L, Wang YZ (2011) Synthesis of organo-modified α-zirconium phosphate and its effect on the flame retardancy of IFR poly(lactic acid) systems. Polym Degrad Stab 96:771–777 5 Economou NJ, Dea JRO, Mcconnaughy TB, Buratto K (2013) RSC advances morphological differences in short side chain and long side chain perfluorosulfonic acid proton exchange membranes at low and high water contents 3. RSC Adv 3:19525–19532 42 Guo C, Zhou L, Lv J (2013) Effects of expandable graphite and modified ammonium polyphosphate on the flame-retardant and mechanical properties of wood flour-polypropylene composites. Polym Polym Compos 21:449–456 Scipioni R, Gazzoli D, Teocoli F, Palumbo O, Paolone A, Ibris N, Brutti S, Navarra M (2014) Preparation and characterization of nanocomposite polymer membranes containing functionalized SnO2 additives. Membranes (Basel) 4:123–142 1 Kim YW, Choi JK, Park JT, Kim JH (2008) Proton conducting poly(vinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene) graft copolymer electrolyte membranes. J Memb Sci 313:315–322 1-2 Wang F, Hickner M, Seung Y, Zawodzinski TA, McGratha JE (2002) Direct polymerization of sulfonated poly (arylene ether sulfone) random ( statistical ) copolymers: candidates for new proton exchange membranes. J Memb Sci 197:231–242 1-2 Anis A, Al-Zahrani S, Banthia A, Bandyopadhyay S (2011) Fabrication and characterization of novel crosslinked composite membranes for direct methanol fuel cell application–part I. Poly (vinyl alcohol-co-vinyl acetate-co-Itaconic acid)/phosphotungstic acid based membranes. Int J Electrochem Sci 6:2461–2487