Изобретение относится к водородной энергетике и топливным элементам, в частности к способам получения протонпроводящих полимерных мембран, используемых в твердополимерных топливных элементах.
Известны способы получения перфторированных электролитных мембран типа «Nafion», «Flemion», «Neosepta-F» на основе сополимеров тетрафторэтилена с перфторированными виниловыми эфирами (Walkins S. In Fuell Cell Systems (Eds L.G.Blumen, M.N.Mugerwa). Plenum, New York, 1993. P.493, Grot W.G. Macromol. Symp., 1994, 82161; U.S. Patent 3718627.1973; U.S. Patent 4433082.1984).
Другим наиболее близким к описываемому способу по технической сущности является способ получения протонпроводящих полимерных электролитных мембран на основе полибензимидазолов с ортофосфорной кислотой (М.Kawahara, J.Morita, M.Rikukawa, К.Sanui, N.Ogata, Electrochem. Soc., 1995, v.142, L21; M.Kawahara, M.Rikukawa, K.Sanui, N.Ogata, Solid State Jon, 2000, v.136, p.1193; J.-T.Wang, S.Wasmus, R.F.Savinell, J. Electrochem., 1996, v.143, p. 1233; R.F. Savinell, E.Yeager, D.Tryk, U.Landau, J.S.Wainright, D.Weng, K.Lux, M.Litt, S.Roges, J.Electrochem., 1994, v.141, p.46; U.S.Patent 6649703. 2003).
Известно также, что высокой протонной проводимостью обладают гетерополикислоты 12-го ряда (Денисова Т.А., Леонидова О.Н., Максимова Л.Т., Журавлев Н.А. Журнал неорганической химии, 2001, т. 46, №10, с.1710-1715).
Недостатками упомянутых выше мембран является их низкая ионная проводимость при пониженной влажности и температурах выше 100°С, а также их склонность к деструкции при повышенных температурах.
Цель предлагаемого изобретения заключается в способе получения новых протонпроводящих мембран.
Поставленная цель достигается разработкой полимерных мембран с использованием алифатических и ароматических полибензимидазолов и полиамидобензимидазолов, а также сополимеров на основе гидрофильного гетероциклического соединения-1-винил-1,2,4-триазола с гидрофобными фторалкилметакрилатами путем их модифицирования фосфорномолибденовьми и кремнемолибденовыми гетерополикислотами 12-го ряда с последующим допированием пленок на их основе ортофосфорной кислотой.
Модификацию исходных полимеров и сополимеров проводили гидратами гетерополикислот 12-го ряда: H8[Si(Mo2O7)6]·nH2O (ГПК1), H7[P(Mo2O7)6]·nH2O (ГПК2) в среде ДМФА. Из полученных совместных растворов формовали полимерные пленки, которые допировали путем погружения в водные растворы ортофосфорной кислоты.
Предлагаемый способ получения протонпроводящих мембран обладает следующими преимуществами:
- простотой технологии получения композиционных пленок;
- разработанные мембраны характеризуются высокой механической прочностью, химической стойкостью, термической стабильностью;
- полученные мембраны обладают высокой ионной проводимостью при низкой влажности и температурах выше 120°С.
Способ получения протонпроводящих полимерных мембран иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. 0,9 г ароматического полибензимидазола (ПБИ):
полученного поликонденсацией в расплаве 3,3',4,4'-тетрааминодифенилоксида и дифенилизофталата, растворяли в 3 мл ДМФА, а 0,1 г кремнемолибденовой гетерополикислоты двенадцатого ряда (ГПК1) - в 1,22 мл ДМФА. Растворы полимера и ГПК1 смешивали до получения гомогенного раствора, после фильтрации раствора формовали пленку толщиной 100-120 мкм. Дополнительное допирование выполняли погружением пленки в раствор Н3PO4 с концентрацией от 7 до 13 моль/л. Степень допирования возрастает с увеличением концентрации Н3PO4 (фиг.1), одновременно повышается удельная проводимость, которую измеряли четырехзондовым методом Ван-дер-Пау при частоте 500 Гц (фиг.2). По сравнению с исходным полибензимидазолом удельная проводимость композиционной пленки (ПБИ - ГПК1) после допирования в растворах Н3PO4 возрастает в 1,4-3,9 раза.
Пример 2. 0,99 г ароматического полибензимидазола (ПБИ), полученного аналогично примеру 1, растворяли в 3 мл ДМФА, а 0,01 г фосфорномолибденовой гетерополикислоты двенадцатого ряда (ГПК2) - в 1,22 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. По сравнению с исходным полибензимидазолом удельная проводимость композиционной пленки (ПБИ-ГПК2) после допирования в растворе Н3PO4 с концентрацией 9 моль/л возрастает в 5 раз и составляет 0,76·10-3 См/см.
Пример 3. 1,2 г ароматического полиамидобензимидазола:
полученного поликонденсацией в расплаве 3,3',4,4'-тетрааминодифенилоксида и дифенилизофталата и ε-капролактама, растворяли в 3 мл ДМФА, а 0,06 г кремнемолибденовой гетерополикислоты (ГПК1) - в 1 мл ДМФА. Формование пленки, ее допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. По сравнению с исходньм ароматическим полиамидобензимидазолом удельная проводимость композиционной пленки (полиамидобензимидазол - ГПК1) после допирования в растворе Н3РО4 с концентрацией 7 моль/л возрастает в 2 раза и составляет 0,11·10-3 См/см.
Пример 4. 0,95 г алифатического полиамидобензимидазола:
полученного поликонденсацией в расплаве 3,3',4,4'-тетрааминодифенилоксида, дифениладипината и ε-капролактама, растворяли в 4 мл ДМФА, а 0,05 г кремнемолибденовой гетерополикислоты (ГПК1) - в 1,5 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. По сравнению с исходным полиамидобензимидазолом удельная проводимость композиционной пленки (полиамидобензимидазол - ГПК1) после допирования в растворах Н3PO4 возрастает в 2,5 раза и достигает 1,5·10-2 См/см.
Пример 5. 0,95 г алифатического полиамидобензимидазола, полученного аналогично примеру 4, растворяли в 4 мл ДМФА, а 0,05 г фосформолибденовой гетерополикислоты (ГПК2) в 1,5 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. По сравнению с исходным полиамидобензимидазолом удельная проводимость композиционной пленки (полиамидобензимидазол - ГПК2) после допирования в растворах Н3PO4 возрастает в 1,4-2,9 раза и достигает 1·10-2 См/см.
Пример 6. 0,95 г сополимера 1-винил-1,2,4-триазола с 1,1,3-тригидротетрафторпропилметакрилатом:
полученного радикальной сополимеризацией сомономеров в среде ДМФА при 60°С, растворяли в 5 мл ДМФА, а 0,05 г фосфорномолибденовой гетерополикислоты (ГПК2) - в 1 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. Значение удельной проводимости композиционной пленки (сополимер - ГПК2) после допирования в растворах Н3PO4, составляет 2.5·10-2 См/см и возрастает до 0.8·10-1 См/см при повышении температуры до 130°С (фиг.3).
Пример 7. 0,95 г сополимера 1-винил-1,2,4-триазола с 1,1,3-тригидротетрафторпропилметакрилатом, полученного аналогично примеру 6, растворяли в 5 мл ДМФА, а 0,05 г кремнемолибденовой гетерополикислоты (ГПК1) - в 1 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. Значения удельной проводимости композиционной пленки после допирования в растворах Н3PO4 составляет 3.4·10-2 См/см.
Пример 8. 0.95 г сополимера 1-винил-1,2,4-триазола с 1,1,5-тригидрооктафторамилметакрилатом:
полученного аналогично примеру 6, растворяли в 5 мл ДМФА, а 0,05 г кремнемолибденовой гетерополикислоты - в 1 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. Значения удельной проводимости композиционной пленки после допирования в растворах Н3PO4 составляет 0.61·10-3 См/см.
Пример 9. 0.95 г сополимера 1-винил-1,2,4-триазола с 1,1,5-тригидрооктафторамилметакрилатом, полученного аналогично примеру 6, растворяли в 5 мл ДМФА, а 0,05 г фосфорномолибденовой гетерополикислоты (ГПК2) - в 1 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. Значения удельной проводимости композиционной пленки после допирования в растворах Н3PO4 составляет 1.1·10-2 См/см.
ДМФА. Формование пленки, ее допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. По сравнению с исходным ароматическим полиамидобензимидазолом удельная проводимость композиционной пленки (полиамидобензимидазол - ГПК1) после допирования в растворе Н3PO4 с концентрацией 7 моль/л возрастает в 2 раза и составляет 0.11·10-3 См/см.
Пример 4. 0.95 г алифатического полиамидобензимидазола:
полученного поликонденсацией в расплаве 3,3',4,4'-тетрааминодифенилоксида, дифениладипината и ε-капролактама, растворяли в 4 мл ДМФА, а 0.05 г кремнемолибденовой гетерополикислоты (ГПК1) - в 1.5 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. По сравнению с исходным полиамидобензимидазолом удельная проводимость композиционной пленки (полиамидобензимидазол - ГПК1) после допирования в растворах Н3PO4 возрастает в 2.5 раза и достигает 1.5·10-2 См/см.
Пример 5. 0.95 г алифатического полиамидобензимидазола, полученного аналогично примеру 4, растворяли в 4 мл ДМФА, а 0.05 г фосформолибденовой гетерополикислоты (ГПК2) в 1.5 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. По сравнению с исходным полиамидобензимидазолом удельная проводимость композиционной пленки (полиамидобензимидазол - ГПК2) после допирования в растворах Н3PO4 возрастает в 1.4-2.9 раза и достигает 1·10-2 См/см.
Пример 6. 0.95 г сополимера 1 -винил-1,2,4-триазола с 1,1,3-тригидро-тетрафторпропилметакрилатом:
полученного радикальной сополимеризацией сомономеров в среде ДМФА при 60°С, растворяли в 5 мл ДМФА, а 0.05 г фосфорномолибденовой гетерополикислоты (ГПК2) - в 1 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. Значение удельной проводимости композиционной пленки (сополимер - ГПК2) после допирования в растворах Н3PO4, составляет 2.5·10-2 См/см и возрастает до 0.8·10-1 См/см при повышении температуры до 130°С (фиг.3).
Пример 7. 0.95 г сополимера 1-винил-1,2,4-триазола с 1,1,3-тригидро-тетрафторпропилметакрилатом, полученного аналогично примеру 6, растворяли в 5 мл ДМФА, а 0.05 г кремнемолибденовой гетерополикислоты (ГПК1) - в 1 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1.
Значения удельной проводимости композиционной пленки после допирования в растворах Н3PO4 составляет 3.4·10-2 См/см.
Пример 8. 0.95 г сополимера 1-винил-1,2,4-триазола с 1,1,5-тригидро-октафторамилметакрилатом:
полученного аналогично примеру 6, растворяли в 5 мл ДМФА, а 0.05 г кремнемолибденовой гетерополикислоты - в 1 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. Значения удельной проводимости композиционной пленки после допирования в растворах Н3PO4 составляет 0.61·10-3 См/см.
Пример 9. 0.95 г сополимера 1-винил-1,2,4-триазола с 1,1,5-тригидро-октафторамилметакрилатом, полученного аналогично примеру 6, растворяли в 5 мл ДМФА, а 0.05 г фосфорномолибденовой гетерополикислоты (ГПК2) - в 1 мл ДМФА. Формование пленки, допирование растворами Н3PO4 и определение удельной проводимости проводили аналогично примеру 1. Значения удельной проводимости композиционной пленки после допирования в растворах Н3PO4 составляет 1.1·10-2 См/см.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ПРОТОНПРОВОДЯЩИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МЕМБРАНЫ И СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ | 2005 |
|
RU2284214C1 |
ПРОТОНПРОВОДЯЩИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МЕМБРАНЫ И СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ | 2005 |
|
RU2285557C1 |
КАТАЛИЗАТОР И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТИЛЭТИЛКЕТОНА | 2004 |
|
RU2275960C1 |
ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ | 1991 |
|
RU2022984C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АРОМАТИЧЕСКИХ ПОЛИБЕНЗИМИДАЗОЛОВ | 2010 |
|
RU2440345C1 |
Композиционный полимерный электролит на основе дигидрофосфата цезия и фторопласта-2 М и способ его получения | 2023 |
|
RU2821329C1 |
(CO) ПОЛИМЕРЫ N-ГЛИЦИДИЛ-3-НИТРО-5-R-1,2,4-ТРИАЗОЛОВ И СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ | 2010 |
|
RU2462480C2 |
КОМПОЗИТНАЯ ПРОТОНПРОВОДЯЩАЯ МЕМБРАНА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2007 |
|
RU2373990C2 |
КОМПОЗИЦИОННАЯ ПОРИСТАЯ ПОДЛОЖКА ДЛЯ ОКСИДНО-КЕРАМИЧЕСКИХ МЕМБРАН И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ | 2007 |
|
RU2349373C1 |
КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРОТОНПРОВОДЯЩИЙ МАТЕРИАЛ | 2014 |
|
RU2563255C1 |
Изобретение относится к водородной энергетике и топливным элементам, в частности к способам получения протонпроводящих полимерных мембран, используемых в твердополимерных топливных элементах. Способ включает модификацию пленок из алифатических и ароматических полибензимидазолов и полиамидобензимидазолов, а также сополимеров на основе гидрофильного гетероциклического соединения-1-винил-1,2,4-триазола с гидрофобными фторалкилметакрилатами фосфорномолибденовыми и кремнемолибденовыми гетерополикиелотами 12-го ряда и допирование этих пленок ортофосфорной кислотой. Протонная проводимость полимерных мембран при комнатной температуре достигает 10-3-10-2 См/см и возрастает до 10-1 См/см при повышении температуры до 130°С. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
US 6649703 В2, 18.11.2003 | |||
Способ получения мембраны ионоселективного электрода на калий | 1982 |
|
SU1081519A1 |
СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ СОЕДИНЕНИЯ "МЕМБРАНА-ЭЛЕКТРОДЫ" | 1996 |
|
RU2172542C2 |
US 6179132 A, 30.01.2001 | |||
US 3718627 A, 27.01.1973. |
Авторы
Даты
2006-07-20—Публикация
2005-02-28—Подача