Synthesıs of and characterızatıon of sulfonated polysulfone for proton exchange membrane fuel cells
Synthesis of and characterization of sulfonated polysulfone for proton exchange membrane fuel cells
- Tez No: 1016047
- Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yakıt hücreleri, kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilen ileri düzey enerji dönüşüm sistemleri arasında yer almakta olup, özellikle sürdürülebilir enerji teknolojileri bağlamında büyük önem taşımaktadır. Bu sistemler, klasik yanma temelli enerji üretim yöntemlerinden farklı olarak, enerji dönüşümünü elektrokimyasal reaksiyonlar aracılığıyla gerçekleştirir ve bu sayede daha yüksek verimlilik ve daha düşük çevresel etki sunar. Yakıt hücrelerinde en yaygın olarak kullanılan yakıt hidrojen olup, oksitleyici olarak ise genellikle oksijen veya hava kullanılmaktadır. Hidrojen ve oksijen arasında gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyon sonucunda elektrik enerjisi üretilirken, yan ürün olarak yalnızca su ve ısı açığa çıkar. Bu yönüyle yakıt hücreleri, karbon emisyonlarını minimize eden temiz enerji teknolojileri arasında ön plana çıkmaktadır. Yakıt hücreleri arasında, Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücreleri (PEMYH), düşük çalışma sıcaklıkları, hızlı başlatılabilme özellikleri ve yüksek güç yoğunlukları nedeniyle en umut verici sistemlerden biri olarak kabul edilmektedir. Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi olarak da adlandırılan bu sistemlerde, elektrolit görevi gören ince bir polimer membran, anot ve katot elektrotları arasında yer almaktadır. Bu membran, protonların seçici geçişine izin verirken, elektronların geçişini engelleyerek sistemin çalışması için gerekli olan potansiyel farkın korunmasını sağlar. Aynı zamanda gazların birbirine karışmasını önleyerek reaksiyon verimliliğini artırır. Bu özellikler, membranın hem iyonik iletkenlik hem de mekanik ve kimyasal dayanıklılık açısından kritik bir bileşen olmasına neden olmaktadır. PEMYH sistemlerinde çalışma prensibi temel olarak anot ve katotta gerçekleşen yarı hücre reaksiyonlarına dayanmaktadır. Anot tarafında beslenen hidrojen gazı, katalizör yüzeyinde oksidasyona uğrayarak protonlara (H⁺) ve elektronlara (e⁻) ayrışır. Oluşan protonlar polimer elektrolit membran boyunca katoda doğru göç ederken, elektronlar harici bir devre üzerinden ilerleyerek elektrik akımı oluşturur. Bu akım, yakıt hücresinin dış devreye enerji sağlamasını mümkün kılar. Katot tarafında ise oksijen molekülleri, membran aracılığıyla gelen protonlar ve harici devreden gelen elektronlarla birleşerek su moleküllerini oluşturur. Bu reaksiyon sonucunda sistemden yalnızca su ve belirli miktarda ısı açığa çıkar. Bu durum, yakıt hücrelerinin çevre dostu ve sürdürülebilir enerji sistemleri arasında değerlendirilmesine olanak tanımaktadır. Tüm bu avantajlarına rağmen, PEMYH teknolojisinin geniş ölçekli ticarileşmesi bazı teknik ve ekonomik sınırlamalar nedeniyle henüz tam anlamıyla gerçekleşmemiştir. Bu sınırlamaların başında, sistemin en kritik bileşenlerinden biri olan polimer elektrolit membranın yüksek maliyeti gelmektedir. Günümüzde endüstri standardı olarak yaygın şekilde kullanılan Nafion, perflorosülfonik asit bazlı bir polimer olup, yüksek proton iletkenliği, mükemmel kimyasal kararlılığı ve iyi mekanik özellikleri sayesinde tercih edilmektedir. Ancak Nafion'un üretim maliyetinin yüksek olması, ayrıca özellikle 80 °C üzerindeki sıcaklıklarda performansının düşmesi ve su yönetimine olan bağımlılığı, alternatif membran malzemelerinin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Bu bağlamda, daha düşük maliyetli, yüksek sıcaklıklarda çalışabilen ve yeterli proton iletkenliği sunan yeni nesil polimerlerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, aromatik yapıya sahip mühendislik polimerlerinin kimyasal modifikasyonlar yoluyla yakıt hücresi uygulamalarına uygun hâle getirilebileceğini göstermiştir. Bu polimerler arasında yer alan polisülfon (PSU), yüksek termal kararlılığı, iyi mekanik dayanıklılığı ve işlenebilirliği sayesinde dikkat çekmektedir. Ancak saf polisülfonun proton iletkenliği oldukça düşük olduğundan, bu malzemenin yakıt hücresi uygulamalarında kullanılabilmesi için fonksiyonelleştirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla en yaygın uygulanan yöntemlerden biri sülfonasyon olup, bu işlem sonucunda polimer zincirine sülfonik asit (-SO₃H) grupları bağlanarak proton iletkenliği kazandırılmaktadır. Bu şekilde elde edilen sülfolanmış polisülfon (SPSU), hidrofilik karakter kazanarak proton taşınımına olanak sağlar. Bu çalışmada, PEMYH uygulamaları için maliyet etkin ve yüksek performanslı alternatif membranlar geliştirmek amacıyla sülfolanmış polisülfon bazlı kompozit membranların sentezi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, farklı polimer bileşimlerinin membran performansı üzerindeki etkileri detaylı şekilde incelenmiştir. Aquivion kullanılarak hazırlanan membran örneklerinde, literatürde bildirilen birçok değerin üzerinde olan 615.46 mS/cm gibi oldukça yüksek bir proton iletkenliği elde edilmiştir. Buna karşılık, SPSU ve PES polimerlerinin farklı oranlarda karıştırılmasıyla elde edilen kompozit membranlarda sırasıyla 1.3 mS/cm ve 1.08 mS/cm iletkenlik değerleri ölçülmüştür. Bu sonuçlar, membran bileşiminin ve polimer yapısının proton iletkenliği üzerinde belirleyici bir rol oynadığını açıkça ortaya koymaktadır. Çalışmanın bir diğer önemli amacı, polisülfon ve sülfolanmış türevlerinin kontrollü şekilde sentezlenmesi ve bu malzemelerden fonksiyonel membranların üretilmesidir. Elde edilen polimerlerin yapısal, termal ve moleküler özelliklerini belirlemek amacıyla çeşitli karakterizasyon tekniklerinden yararlanılmıştır. Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ile polimer zincirinde bulunan fonksiyonel gruplar analiz edilmiş, sülfonasyonun başarıyla gerçekleşip gerçekleşmediği doğrulanmıştır. Nükleer manyetik rezonans (¹H NMR ve ¹³C NMR) spektroskopisi kullanılarak polimer omurgasının yapısı detaylı şekilde incelenmiş ve kimyasal yapı hakkında kapsamlı bilgi elde edilmiştir. Polimerlerin termal özellikleri, diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) yöntemi kullanılarak belirlenmiş ve özellikle cam geçiş sıcaklığı (Tg) değerleri incelenmiştir. Tg değerleri, polimer zincir hareketliliği ve membranın çalışma koşullarındaki stabilitesi açısından kritik öneme sahiptir. Moleküler ağırlık ve dağılımı ise jel geçirgenlik kromatografisi (GPC) yöntemi ile analiz edilerek sentezlenen polimerlerin zincir uzunlukları ve polidispersite indeksleri belirlenmiştir. Üretilen membranların yüzey ve morfolojik özellikleri de detaylı şekilde incelenmiştir. Temas açısı ölçümleri ile membran yüzeyinin hidrofilik veya hidrofobik karakteri değerlendirilmiş, bu özelliklerin su tutma kapasitesi ve proton iletkenliği ile olan ilişkisi analiz edilmiştir. Ayrıca, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak membranların yüzey morfolojisi ve iç yapısı gözlemlenmiş, gözenek boyutları ve dağılımları belirlenmiştir. Bu analizler, membran performansını etkileyen yapısal faktörlerin anlaşılmasına katkı sağlamıştır. Sonuç olarak, bu çalışma kapsamında geliştirilen sülfolanmış polisülfon bazlı membranların, yakıt hücresi uygulamaları için umut verici alternatifler sunduğu görülmüştür. Elde edilen bulgular, uygun polimer tasarımı ve kompozit yapı optimizasyonu ile düşük maliyetli ve yüksek performanslı membranların üretilebileceğini göstermektedir. Bu tür çalışmalar, yakıt hücresi teknolojilerinin daha geniş ölçekte uygulanabilir hâle gelmesine ve sürdürülebilir enerji sistemlerinin geliştirilmesine önemli katkılar sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
Fuel cells operate by converting chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction, typically involving hydrogen and oxygen. One of the most important types of fuel cells is the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), also referred to as the Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell. This fuel cell type utilizes a polymeric membrane as an electrolyte, placed between the anode and cathode, to facilitate the selective conduction of protons while acting as an electronic insulator. Hydrogen gas is supplied to the anode, where it undergoes oxidation, generating protons and electrons. The protons go through the membrane to the cathode, where they combine with oxygen to make water. This reaction not only produces electrical energy but also results in water vapor as a by-product, making PEMFCs an environmentally sustainable power generation technology. Despite its advantages, the commercialization of PEMFCs remains hindered by the high cost of key materials, particularly the polymer electrolyte membrane (PEM). Currently, Nafion, a perfluorosulfonic acid-based polymer, is the industry standard for PEMs because of its elevated proton conductivity, chemical stability, and mechanical robustness. However, its prohibitive cost and performance limitations at elevated temperatures necessitate the development of alternative polymeric materials with comparable or superior properties. In this study, we focus on the fabrication and characterization of sulfonated polysulfone (SPSU) composite membranes as a cost-effective and efficient alternative for PEMFC applications. A proton conductivity of 615.46 mS/cm, which is quite high compared to literature values, was obtained from the membrane produced with Aquivion. In contrast, conductivity values of 1.3 mS/cm and 1.08 mS/cm were recorded for sulfonated polysulfone (SPSU) and PES polymers mixed in different ratios. In this study, the target was to synthesize polysulfones and their sulfonated versions and then prepare membranes from them. We have also developed a sulfonated polysulfone for membrane technology, such as fuel cells. All polysulfones were characterized by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC), and gel permeation chromatography (GPC). Two types of NMR analyses, ¹H NMR and ¹³C NMR, were performed to characterize the polysulfone backbone. The glass transition temperatures (Tg) of polysulfones were determined by differential scanning calorimetry (DSC). The characteristics of the membranes were investigated by measuring the contact angle and pore sizes, as well as through scanning electron microscopy (SEM) imaging.
Benzer Tezler
- Bor nitrür içerikli nemsiz proton iletken polimer membranlarin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of boron nitride based anhydrous proton conductive polymer membranes
KÜBRA ZEYNEP ASLIYÜKSEK
- Sülfolanmış polisülfon nanokompozit membranlar hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of nanocomposite sulfonated polysulfon membranes
BÜŞRA KÖROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN
- Synthesis and characterization of phosphine oxide and sulfone containing polyurethanes
Fosfin oksit ve sülfon içeren poliüretanların sentezi ve karakterizasyonu
BETÜL TÜREL
Doktora
İngilizce
2013
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI
- Synthesis, characterization, and application of a novel thin film composite (TFC) forward osmosis (FO) membrane for seawater desalination
Deniz suyu arıtımı için yeni ince film kaplamalı ileri osmoz (İO) membranı üretimi, karakterizasyonu ve uygulanması
RAED M S ELKHALDI
Doktora
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Synthesis and characterization of polymer/hbn composite electrolytes for sodium–ion batteries
Sodyum-iyon pıllerde kullanım amaçlı polımer/hbn kompozıt elektrolıtlerın sentezı ve karakterızasyonu
ABUBAKAR HAMISU