Высокоэффективные анионообменные мембраны на основе полимеров для щелочных топливных элементов

Высокоэффективные анионообменные мембраны на основе полимеров для щелочных топливных элементов

ИРН АP09057868

 

   Технология топливных элементов имеет большой потенциал для замены традиционных углеводородных источников энергии благодаря своей высокой эффективности и практического отсутствия выбросов. Щелочные топливные элементы за счет ряда преимуществ по сравнению с широко распространенными топливными элементами с протонообменной мембраной: по кинетике катода и омической поляризации, низкой стоимости, стабильности и долговечности материала. Мембрана является ключевым компонентом в таких устойчивых устройствах и требует улучшения для удовлетворения потребности технологии.

   Целью данного проекта является разработка анионообменных мембран на основе полимеров для щелочных топливных элементов (ЩТЭ). Кроме того, проект направлен на улучшение ионной проводимости и механической стабильности путем исследования различных полимерных структур, полимерных смесей и их функционализации.

Ожидаемые результаты:

1) Будут разработаны и исследованы инновационные и высокопроводящие анионообменные мембраны для всех твердотельных щелочных топливных элементов. Будет достигнута ОН-- проводимость в диапазоне 10-1-10-2 См/см и контролируемая степень набухания;

2) Результаты исследований по синтезу и характеристике материалов, производительности будут опубликованы в ведущих международных рецензируемых журналах, таких как Elsevier, International Electrochem. Society и будут представлены на международных конференциях.

- не менее 2 (двух) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти);

- не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСОН;

Также результаты будут представлены на международных конференциях.

3) 1 (одна) патентная заявка на изобретение будет подготовлена и подана в Казахстанское патентное бюро.

4) Установление международного сотрудничества с партнерами принесет Казахстану новые знания как в области науки, так и образования молодых специалистов.

   Полученные результаты за 2021 год

В результате исследований в качестве основного компонента АОМ был выбран ПВС в связи с возможностью использования водных растворов. Для увеличения проводимости мембраны использовали метод кватернизации полимера четвертичными аммониевыми группами. Успешный процесс кватернизации был доказан Фурье-ИК спектроскопией, которая показала наличие С-N связей в структуре полимера.

   Для улучшения механической и химической стабильности OH-проводящей мембраны, в композитную мембрану добавили полиэтиленимин, который из за наличие аммониевых связей в структуре образовывает водородные связи с ПВС. А водородные связи, в свою очередь улучшают механическую стабильность мембраны. Так же, для улучшения проводимости мембраны полиэтиленимин был кватернизирован, что было подтверждено ИК спектроскопией.

   Первоначально расчеты функционала плотности были выполнены для исследования комплексообразования гидроксид-иона с восемью различными головными группами катионов аммония анионной мембраны. Полученные значения энергий НСМО для шести различных головных групп катионов аммония с помощью метода рассчеты функционала плотности показали следующий порядок химической стабильности: f) пиридиний < e) 1,4-диазабицикло [2.2.2] октан < г) триметиламмоний < в) н-метилпиперидин < б) гуанидий < а) триметиламмоний с гексиловым спейсером. Кроме того, указанная выше тенденция щелочной стабильности, рассчитанная методом функционала плотности, также согласуется с экспериментальными результатами из литературы.

   Для получения АОМ путем интеграции ОН-проводящего полимера, то есть кватернизированного ПВС, с стабильной композитной полимерной сетью – кватернизированного ПЭИ использовался метод электроспиннинга. Полученные нановолокна показали достаточно высокие механическую и химическую стабильности. Однако, для улучшения данных показателей использовались разного типа сшивающие агенты: глютаральдегид, ТЭОС, МЕМО и изопропоксид титана.

   Для получения однородных нановолокон, раствор для электроспиннинга имеет одну из самых важнейших ролей. В связи с этим, проводились лабораторные работы по улучшению и оптимизации состава раствора, подбирали разные растворители, меняли соотношения компонентов, а также меняли параметры приготовления раствора (температура, время и т.д.). По итогам работ, были выведаны наиболее оптимальные соотношения и компоненты для получения однородных нановолокон.

   Состав исследовательской группы:

  1. Алмагуль Ментбаева, ассистент профессор (Идентификатор: Scopus 55339781000, Web of science N-3870-2017 и ORCID 0000-0001-9132-1173).
  2. Сандуғаш Қалыбекқызы, старший научный сотрудник (Идентификатор: Scopus 57207861660, Web of science AAQ-5453-2020 и ORCID 0000-0002-7586-719Х).
  3. Назым Касенова, научный сотрудник (Идентификатор: Scopus 57191168953 и ORCID 0000-0002-7611-0711).
  4. Ақерке Қанатқызы, научный сотрудник (Идентификатор: ORCID: 0000-0003-0839-9274).
  5. Айман Бисенбай, научный сотрудник (Идентификатор: ORCID: 0000-0001-7273-3359).
  6. Бауыржан Мырзахметов, научный сотрудник (Идентификатор: Scopus 56974364700, Web of science AAW-8260-2020 и ORCID 0000-0002-6828-0649).