غشاهاي نانوكامپوزيتي مبادله كننده پروتون برپايه نفيون ونانوذرات Fe2TiO5 براي استفاده درپيل هاي سوختي غشاي مبادله كننده پروتون

غشاي پلي بنزايميدازول دوپ شده با اسيد فسفريك به دليل پايداري حرارتي بالا و مكانيسم رسانايي پروتوني خاص بطور چشمگيري در پيل¬هاي سوختي پليمري دما بالا مورد بررسي قرار گرفته است. دهيدراته شدن اسيد فسفريك در دماهاي بالاي 140 درجه سانتي¬گراد منجر به كاهش رسانايي پروتوني و عملكرد پيل سوختي غشاي پلي بنزايميدازول مي¬شود. در اين پروژه غشاهاي كامپوزيتي مبادله¬كننده پروتون بر پايه پلي بنزايميدازول و مايع يوني دي كاتيون 1و3 دي (3-متيل ايميدازوليوم) پروپان بيس- ‌(تري فلوئورو متيل سولفونيل) ايميد با هدف بهبود رسانايي پروتوني و عملكرد پيل سوختي غشاي پلي بنزايميدازول در دماهاي بالا، تهيه شد. غشاهاي كامپوزيتي تهيه شده بدليل مقادير بالاي دانسيته بار مايع يوني دي كاتيون رسانايي پروتوني (85 ميلي زيمنس بر سانتي¬متر در دماي 180 درجه سانتي¬گراد)، پايداري حرارتي و عملكرد پيل سوختي بالايي (89/0 آمپر بر سانتي¬متر مربع در ولتاژ 5/0 ولت و دماي 180 درجه سانتي¬گراد) را نسبت به غشاي پلي بنزايميدازول و غشاهاي كامپوزيتي تهيه شده بر پايه پلي بنزايميدازول و مايعات يوني مونو كاتيون نشان داد. مقادير بالاي دانسيته بار مايع يوني دي كاتيون منجر به بر همكنش¬هاي يوني موثرتر با غشاي پلي بنزايميدازول و اسيد فسفريك مي¬شود. در نتيجه مشكل از دست رفتن اسيد فسفريك بطور چشمگيري كاهش مي¬يابد.

غشاي پلي بنزايميدازول (PBI) دوپ شده با اسيد فسفريك به دليل پايداري حرارتي بالا و مكانيسم رسانايي پروتوني خاص بطور چشمگيري در پيل¬هاي سوختي پليمري دما بالا مورد بررسي قرار گرفته است. دهيدراته شدن اسيد فسفريك در دماهاي بالاي 140 درجه سانتي¬گراد منجر به كاهش رسانايي پروتوني و عملكرد پيل سوختي غشاي PBI مي¬شود. در اين پروژه غشاهاي كامپوزيتي دما بالا بر پايه PBI، مزوپور SBA-15-Ph-SO3H و مايعات يوني دي كاتيون با هدف بررسي برهمكنش¬هاي هيدروژني مزوپور SBA-15-Ph-SO3H در افزايش رسانايي پروتوني، جذب اسيد، پايداري حرارتي، پايداري مكانيكي و عملكرد پيل سوختي غشاي PBI دوپ شده با اسيد فسفريك، تهيه گرديد. نقش حفره¬هاي مزوپور SBA-15-Ph-SO3H در كاهش شسته شدن اسيد فسفريك و مايعات يوني دي كاتيون براي اولين بار در سطح ملي و بين المللي مورد بررسي قرار گرفت. تركيب 1،6 دي (3 متيل ايميدازوليوم) هگزان بيس (هگزا فلوئورو فسفات) به عنوان مايع يوني دي كاتيون مورد استفاده قرار گرفت. نتايج نشان داد كه غشاهاي كامپوزيتي تهيه شده بدليل داشتن طول عمر رسانايي پروتوني بالا و طول عمر پيل سوختي بالا قابليت كاربرد در پيل هاي سوختي پلميري دما بالا را دار مي¬باشند. علت اين مشاهده حفره¬هاي مزوپور SBA-15-Ph-SO3H مي¬باشد كه نقش مهم و اساسي در كاهش شسته شدن مايعات يوني و اسيد فسفريك در غشاهاي كامپوزيتي دارند. ساختار منظم حفره¬هاي مزوپور SBA-15-Ph-SO3H كانال¬هاي يوني پيوسته¬اي از پيوند¬هاي هيدروژني را بين مايعات يوني دي كاتيون و اسيد فسفريك در غشاهاي كامپوزيتي فراهم مي¬كند و ميزان شسته شدن مايعات يوني و اسيد فسفريك را كاهش مي¬دهند. رسانايي پروتوني و عملكرد پيل سوختي غشاهاي كامپوزيتي بدليل حضور مزوپور SBA-15-Ph-SO3H در طول مروز زمان تقريبا ثابت ماند و كاهشي مشاهده نشد. گروه¬هاي فنيل سولفونيك اسيد مزوپور SBA-15-Ph-SO3H برهمكنش¬هاي هيدروژني با اسيد فسفريك و مايعات يوني دي كاتيون برقرار مي¬كنند و منجر به حفظ اسيد فسفريك و مايعات يوني در ساختار غشا مي¬شوند. در دماهاي بالا حضور مزوپور SBA-15-Ph-SO3H در غشاهاي كامپوزيتي منجر به افزايش چشم¬گيري در رسانايي پروتوني مي¬شود. علت اين مشاهده اين است كه مزوپور SBA-15-Ph-SO3H مسير پيوسته¬اي را براي جهش¬هاي هيدروژني در حضور مايعات يوني فراهم مي¬كند و در دماهاي بالا با افزايش سينتيك، انرژي لازم براي اين جهش¬ها به حداقل مقدار خود مي-رسد. دانسيته بالاي بار مايعات يوني دي كاتيون منجر به برهمكنش¬هاي هيدروژني موثر و قوي با مزوپور SBA-15-Ph-SO3H و غشا مي شود. خواص مكانيكي و حرارتي غشاهاي كامپوزيتي با افزودن مزوپور SBA-15-Ph-SO3H افزايش مي¬يابد. با افزودن مزوپور SBA-15-Ph-SO3H به غشا، با ايجاد پيوند¬هاي هيدروژني بين مزوپور SBA-15-Ph-SO3H، مايع يوني و غشا ساختار غشا فشرده تر شده و استحكام مكانيكي و مدول غشا بهبود پيدا مي¬كند. بالاترين رسانايي پروتوني براي غشاهاي كامپوزيتي حاوي مايعات يوني دي كاتيون (نسبت مولي مايع يوني/PBI: 4) و %. wt9 از مزوپور SBA-15-Ph-SO3H، mS/cm 91 در دماي 180 درجه سانتي¬گراد بدست آمد. رسانايي پروتوني و عملكرد پيل سوختي (توان پيل سوختي W/cm2 4/0) قابل توجه اين غشاهاي كامپوزيتي قابليت كاربرد اين غشاها را در پيل¬هاي سوختي پليمري دما بالا تائيد كرد. واژه‌هاي كليدي: پيل¬هاي سوختي پليمري دما بالا، پلي بنزايميدازول، رسانايي پروتوني، مزوپور SBA-15-Ph-SO3H، مايعات يوني دي كاتيون.

الكتروليت‌هاي پليمري با توجه به انعطاف پذيري ساختاري و ايمني بالا به منظور استفاده در باتري‌هاي ليتيوم-يون مورد توجه قرار گرفته‌اند. هدايت يوني الكتروليت هاي پليمري از مهمترين مسائل مورد توجه جهت به كاربردن آنها در باتري مي باشد. با اين حال الكتروليت هاي پليمري معمولا داراي هدايت يوني پايين هستند. در اختراع حاضر به منظور بهبود هدايت يوني، نانو صفحات گرافن اكسيد سولفونه (SGO) به عنوان نانوپركننده به ماتريس پليمري PVDF اضافه شده است و الكتروليت پليمري PVDF/SGO به روش قالبگيري از محلول تهيه شد. تصاوير SEM، تخلخل ساختاري بيشتر الكتروليت پليمري PVDF/SGO را در قياس با الكتروليت پليمري خالص نشان داده‌ است. همچنين از مزاياي اختراع صورت گرفته مي توان به كاهش بلورينگي 11% اشاره كرد، كه سبب حركت بهتر زنجيره پليمر در ناحيه آمورف از ماتريس پليمري مي شود. اين الكتروليت پليمري به دليل افزايش تخلخل و كاهش بلورينگي سبب افزايش تحرك گونه هاي يوني و تسهيل انتقال يون ليتيوم درغشاهاي حاوي تخلخل مي شود و درنتيجه منجر به افزايش هدايت يوني الكتروليت شده‌ است. ظرفيت دشارژ بدست آمده براي باتري تهيه شده با الكتروليت پليمري خالص، از مقدار mAh/g 66/132 به مقدار mAh/g 204، با افزودن نانوصفحات SGO رسيده است. الكتروليت پليمري PVDF/SGO الكتروليتي با عملكرد مناسب براي باتري هاي ليتيوم- يون است.

‏خلاصه: اخير ا توجه بسيار زيادي به استفاده از الكترودهايي با نام تجاري DSA ‏به عنوان مواد الكترودي پايدار و گزينش پذير با قابليت كاربرد در صنايع مدرن الكتروشيميايي نظير كلرآلكالي، تصفيه فاضلاب كارخانه هاي شيميايي و پترو شيميايي، صنايع وابسته به توليد اكسيژن نظير روكش كاري الكتريكي، تصفيه و استخراج الكتريكي فلزات و ... شده است. ‏در اين اخترع براي اولين بار پايدارترين آندهاي DSA ‏ توزيع يكنواخت ذرات فعال ودرعين حال سطح موثر بالا و اختصاصي براي توليد گاز كلر و سود كاستيك در صنعت كلرآلكالي ، توسط روش گرماكافت (با شرايط بهينه شده و جديد) تهيه شدند. ‏توسط مخلوط مناسبي از ايريديوم، تيتانيوم و روتنيوم ، پوششهاي پايدار ابعادي (با يكنواختي توزيع مطلوب) بدست آمدند. با استغاده از نسبت مولي مناسب 30،40 ، 30 ‏براي ايريديوم، تيتانيوم و روتنيوم ، DSA ‏ هايي ‏كه با طول عمر بسيار بالا و خواص الكتروكاتاليزوري بسيار خوب و در عين حال داراي گزينش پذيري مناسب بدست آمدند، بطوريكه ميزان پايداري اين الكترودها در شرايطي بسيار خورنده تر از شرايط متداول كلرآلكالي، به مقدار 82% بيشتر از پايداري تركيب متداول قديي بوده و ميزان سايت هاي الكتروفعال براي انجام واكنش الكتروشيميايي براي آن به ميزان تقريبا 75 درصد افزايش يافته است و اين در حاليستكه تغيير تركيب الكترودي هيچگونه افتي را در گزينش پذيري آند موجب نگرديده است. ‏فاكتورهاي پايداري، فعالي سطوح، گزينش پذيري و مصرف انرژي براي توليد الكتروشيميايي محصول متاثر از مورفولوژي سطح و تركيب الكترودي، خواص بيار مطلوبي را براي DSA ‏جديد نشان دادند بطوريكه اين الكترودها در مقايسه با الكترود DSA ‏با تركيب قديميتر متداول، پايداري بيشتر و راندمان جريان بالاتري را نشان دادند ‏كه اين مواد را بعنوان تركيبات جديد الكترودي DSA ‏با پايداري و بازدهي بالا براي بكارگيري در فرايندهاي توليد كلرمطرح مي كنند.

‏امروزه انسان با بحران انرژي روبروست. معايب و مشكلات سوخت هاي فسيلي پژوهشكران را بر اين داشته است تا به دنبال يافتن جايگزين هاي مناسب براي اين سوخت ها باشند. يكي از اين منابع پيل هاي سوختي مي باشد كه دستكاهي است الكتروشيميايي كه انرژي حاصل از يك واكنش شيمايي را به انرژي الكتريكي تبديل مي كند. اين پيل از اجزاي مختلفي تشكيل شده است كه يكي از آنها غشا مي باشد. ‏در اين پژوهش غشاي هيبريدي آلي معدني مبادله پروتوني ( PEM ‏) بر پايه پلي وينيل الكل و مزوپور سيليكاي نانو متخلخل سولفونه براي استفاده در پيل هاي سوختي ساخته شده است. اين غشا داراي فرمول gr PVA : امي باشد. با بررسي نتايج بدست آمده از آزمايشات صورت كرفته به روي اين غشا، امكان استفاده از اين غشا در پيل هاي سوختي پليمري به اثبات رسيد. '

در قرن حاضر مسايل مربوط به منابع انرژي و محيط زيست دو نگراني عمده بشر مي باشند و از آنجائيكه مصرف انرژي بطورمستقيم بر محيط زيست تاثيرگذار است اين دو با هم ارتباط تنگاتنگ دارند. منابع انرژي فسيلي كه هم اكنون بطور گستردهاي مورد استفاده قرار مي گيرند، علاوه بر اثرات نامطوب زيست محيطي، غير قابل بازگشت و نتيجتا ناپايدارند. از اينرو نياز به منابع انرژي تجديدپذير، پايدار و غير آلاينده احساس مي شود. هيدروژن مهمترين منبع انرژي پايدار و پاك است كه براحتي با استفاده از پيل هاي سوختي قابل تبديل به الكتريسيته مي باشد و لذا هيدروژن و پيل هاي سوختي در ميان منابع انرژي پايدار در اولويت قرار دارند. پيل هاي سوختي دستگاه هايي هستند كه انرژي شيميايي را به طور مستقيم به انرژي الكتريكي تبديل مي كنند. اين پيل ها از اجزاي مختلفي تشكيل شده اند كه از جمله آنها مي توان به غشا اشاره كرد. در اين اختراع غشاي كامپوزيتي بر پايه پلي وينيل الكل، شبكه ساز و مزوپور SBA-RSO3H با فرمول 5gr PVA:0.5ml GLA:0.01gr(SBA-RSO3H براي استفاده در پيل هاي سوختي پليمري ساخته شده است. دليل سنتز اين غشا اهميت تكنولوژي پيل هاي سوختي، نبود تكنولوژي ساخت غشا در داخل كشور، كاربرد بالاي اين غشا و گراني نمونه هاي مشابه خارجي مي باشد.

اخيرا توجه بسيار زيادي به استفاده از الكترودهايي با نام تجاري DSA بعنوان مواد الكترودي پايدار و گزينش پذير با قابليت كاربرد در صنايع مدرن الكتروشيميايي نظير كلر آلكالي، تصفيه فاضلاب كارخانه هاي شيميايي و پتروشيميايي، حفاظت كاتدي، صنايع وابسته به توليد اكسيژن نظير روكش كاري الكتريكي، تصفيه و استخراج الكتريكي فلزات و ... شده است. در اين اختراع براي اولين بار گزينش پذيرترين آندهاي DSA پايدار با توزيع يكنواخت ذرات فعال و سطح موثر بالا براي توليد گاز كلر و سود كاستيك در صنعت كلر آلكالي، توسط روش گرماكافت (با شرايط بهينه شده و جديد) تهيه شدند. توسط مخلوط مناسبي از قلع، تيتانيوم و روتنيوم، پوششهاي پايدار ابعادي (با يكنواختي توزيع مطلوب) بدست آمدند. با استفاده از نسبت مولي مناسب 30، 40، 30 براي قلع ، تيتانيوم و روتنيوم، DSA هايي با خواص گزينش پذيري و الكتروكاتاليزوري بسيارخوب بدست آمدند بطوريكه ميزان بازدهي جريان براي توليد كلر توسط اين الكترودها 3/5 برابر الكترودهاي با تركيب متداول قديمي بود و اين خصوصيت در شرايط مشابه سازي شده ي صنعتي نيز حفظ گرديد. فاكتورهاي گزينش پذيري، پايداري و مصرف انرژي براي توليد الكتروشيميايي گاز گلر متاثر از مورفولوژي سطح و تركيب الكترودي، خواص بسيار مطلوبي را براي DSA جديد نشان دادند بطوريكه اين الكترودها در مقايسه با الكترود DSA با تركيب قديميتر متداول، راندمان جريان بالاتر و پايداري بيشتري را نشان دادند كه اين مواد را بعنوان تركيبات جديد الكترودي DSA با بازدهي بالا براي بكارگيري در فرايندهاي توليد گاز مطرح مي كنند.