Geri Dön

The production of azole functional novel proton conductive membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) applications

Polimer elektrolit membran yakıt hücresi uygulamaları için azol fonksiyonlu yeni proton iletken membranların hazırlanması

PDF İndir

  1. Tez No: 424358
  2. Yazar: DENİZ SİNİRLİOĞLU
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ EKREM MÜFTÜOĞLU, PROF. DR. AYHAN BOZKURT
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Fatih Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 363

Özet

Proton değişim membran (PEM), yakıt pilinin çalışması için önemli bir bileşendir. Proton değişim membran, yakıt pillerinde anot ve katot arasında proton iletimini sağlayan ve bu bölgedeki yakıt gazlarının karışmasını engellemek amacıyla, ayırıcı ve elektrolit olarak kullanılır. DuPont firması tarafından üretilen Nafyon ve türevleri en yaygın olarak kullanılan proton geçirgen membranlardır. Nafyon'un yüksek termal ve kimyasal dayanıklılığının yanında, iletkenliğinin neme bağlı olması ve nemli olan membranın kuruması nedeniyle, yakıt pili performansı ve membran ömrü azalmaktdır. Bu tezde, yüksek sıcaklıklarda yüksek iletkenliğe ve düşük sıcaklıklarda Nafyon ile kıyaslanabilir iletkenlik değerlerine sahip ve Nafyon'a alternatif olabilecek nemsiz (susuz) proton geçirgen membranlar geliştirilmiştir. Bu kapsamda, çeşitli homopolimerleri, rasgele kopolimerleri ve farklı aşı yapılarını içeren bazı yeni nemsiz (susuz) proton geçirgen membranlar başarılı bir şekilde hazırlandı ve tamamen karakterize edildi. Nemsiz sistemlerde proton iletimini sağlayan ve yapısında fonksiyonel grupları bulunduran bu membranlar farklı başlıklar altında rapor edildi. Birinci bölümde, poli (metakriloil klorür) polimeri sentezlenip triazol, aminotriazol ve aminotetrazol bileşikleriyle fonksiyonlandırılarak“PMA-Tri-(TA)x; PMA-ATri-(TA)x; ve PMA-ATet-(TA)x”olarak adlandırılan metakrilat / metakrilamit bazlı azol fonksiyonel homopolimerlerin sentezi gerçekleştirildi. İstenilen membranları elde etmek için, azol fonksiyonel homopolimerler trifilik asit ile dop edildi. Diğer bölümde, yeni bir monomer olan 5-(metakrilamido)tetrazol monomeri sentezlendi ve bazı metakrilat bazlı proton geçirgen membranların hazırlanmasında kullanıldı. Bu çalışmalar, kısmen yukarıda bahsedilen metakrilik monomerin homopolimeri ile ayrı ayrı sülfonatlı polisülfon (SPSU-PMTetX) ve poli (vinil fosfonik asit) homopolimerlerinin harmanlanmasıyla proton geçirgen membranların üretimini içerir. Bu basit yaklaşım, nispeten daha yüksek asit içeriği kullanılan sistemlerde daha iyi bir membran oluşturmak için kullanılan asit dopanların eklenmesini ortadan kaldırmıştır. Geri kalan bölümlerde, 5-(metakrilamido) tetrazol monomerinin 1-vinil-1,2,4-triazol ve sülfonik asit, fosfonik asit ve borik asit içeren asit fonksiyonel gruba sahip farklı monomerler ile kopolimerleri hazırlandı. Bu kopolimerlerin bazıları, proton iletimini kolaylaştırmak için, fosforik asit ile dop edilmiştir. Son bölümde, basit bir yöntem olan“aşılama”yoluyla PVDF esaslı susuz proton değişim membranlar hazırlandı. PVDF tozu, ana zincirde -CH=CF- çift bağı oluşturmak için potasyum hidroksit (KOH) ile muamele edildi. Alkalinasyon yöntemiyle elde edilen PVDF makromonomer olarak kullanılarak, vinyltriazole (VTri) ve glisidil metakrilat (GMA) monomerlerinin PVDF üzerine aşılanmasıyla susuz proton değişim membranlar elde edildi. İlk elde edilen aşı kopolimer trifilik asit ile dop edilerek (PVDF-g-PVTri-(TA)x) aşı kopolimer membranları; diğer aşı kopolimer ise (PVDF-g-PGMA) poli (vinil fosfonik asit) ile tepkimeye sokularak (PVDF-g-PGMA-g-PVPA(x)) aşı kopolimer membranları elde edildi. Ayrıca, elde edilen PVDF-g-PGMA aşı kopolimerleri 5-aminotetrazol (ATet) ile modifiye edilip trifilik asit ile dop edilerek PVDF-g-PGMA-ATet-(TA)x membranları elde edildi. Bu çalışmalarda sentezlenen membranlar, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (1H-NMR, 13C-NMR, 31P-NMR ve 19F-NMR), elementel analiz (EA) ve Enerji Dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) yöntemleri kullanılarak karekterize edildi. Numunelerin ısısal özellikleri termogravimetrik analiz (TGA) ve diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ile analiz edildi. Membranların yüzey kalınlığı, kristalinitesi ve morfolojisi, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), X-ışını kırınımı (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak incelendi. Maddelerin elektrokimyasal kararlılığı döngüsel voltametri (CV) ile test edildi. Membranların proton iletkenliği empedans spektroskopisi ile incelendi.

Özet (Çeviri)

Proton exchange membrane (PEM) is the critical component for the operation of a fuel cell. It serves as an electrolyte for transporting protons from the anode to the cathode and as a separator to prevent mixing of the fuel gases. DuPont's Nafion and its analogues are the most widely used PEMs since they have high chemical stability, excellent mechanical properties and provide high proton conductivity in the fully hydrated state. However, at elevated temperatures due to loss of humidity, conductivity falls down dramatically, which is a barrier to the development of high performance fuel cells. The present thesis is dedicated to the development of anhydrous PEMs, which can be successful alternatives to Nafion providing comparable conductivities at low temperatures and enhanced conductivities at high temperatures. In this context, several novel anhydrous PEMs consisting of various types of homopolymers, random copolymers, and blends as well as distinct graft structures have been successfully prepared and characterized fully. These are reported under different headings in a reasonable order focusing primarily on the functional moieties responsible for proton transport in the anhydrous systems. In the first part, synthesis of methacrylate/ methacrylamide based azole functional homopolymers, denoted as PMA-Tri-(TA)x; PMA-ATri-(TA)x; PMA-ATet-(TA)x, was carried out via a post- polymerization functionalization of poly(methacryloyl chloride) with triazole, amino-triazole, and aminotetrazole. These were then doped with triflic acid to obtain the desired membranes. In the succeeding sections, a novel monomer, 5-(methacrylamido)tetrazole was synthesized and further employed in the preparation of a series of methacrylate based PEMs. These studies partly involve production of PEMs by blending the homopolymer of the afore-mentioned methacrylic monomer with sulfonated polysulfone (SPSU-PMTetX blend) and poly(vinyl phosphonic acid) separately. This simple approach eliminated the addition of acid dopants, resulting in better film formabilities in cases where relatively higher acid contents were used. In the remaining sections, 5-(methacrylamido)tetrazole was copolymerized with 1-vinyl-1,2,4- triazole and with several other monomers containing different types of acid functionalities, such as sulphonic acid, phosphonic acid, and boronic acid. Some of these copolymers were also doped with phosphoric acid to facilitate the proton transport. In the final parts, PVDF based anhydrous PEMs were prepared via a simple“grafting through”strategy. The PVDF powder was treated with potassium hydroxide (KOH) yielding -CH=CF- double bonds in the main chain. Upon respective usage of the alkaline treated PVDF as a macromonomer in conjunction with vinyltriazole (VTri) and glycidyl methacrylate (GMA) in the graft copolymerization, anhydrous PEMs were obtained. In the former, doping with triflic acid afforded (PVDF-g-PVTri-(TA)x), whereby in the latter, poly(vinyl phosphonic acid) was reacted with poly(glycidyl methacrylate) grafts and (PVDF-g-PGMA-g-PVPA(x)) was obtained. Besides, synthesized PVDF-g-PGMA copolymers were functionalized with 5-aminotetrazole (ATet), and subsequently doped with triflic acid (TA) at several mole ratios with respect to tetrazole units. Finally PVDF-g-PGMA-ATet-(TA)x membranes were fabricated. All membranes were characterized with Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (1H-NMR, 13C-NMR, 31P-NMR, and 19F-NMR), Elemental Analysis (EA), and Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). The thermal properties of the samples were analyzed via Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). The surface roughness, crystallinity, and morphology of the membranes were studied using Atomic Force Microscopy (AFM), X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). The electrochemical stability of the materials was tested by Cyclic Voltammetry (CV). The proton conductivity of the membranes was studied using impedance spectroscopy.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    382766

    The production of polymer/nanocomposite proton conducting membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (pemfc) applications

    Proton iletken membran yakıt hücreleri uygulamarı için proton iletken polimer/nanokompozit membranların üretilmesi

    AYŞE ASLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    KimyaFatih Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYHAN BOZKURT

  2. Tez No

    439434

    PEM tipi yakıt hücrelerinde nanokompozit membran geliştirme.

    Development of nanocomposite membrane for PEM fuel cells

    EDA GÜMÜŞDERELİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    EnerjiGebze Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ ATA

  3. Tez No

    376341

    Clarification of the effects of imazalil and tebuconazole from azole fungicides to antioxidant enzyme activities, intracellular radical and membrane LPO levels in Phanerochaete chrysosporium

    Azol fungisitlerinden imazalil ve tebuconazolün phanerochaete chrysosporıum da antioksidan enzim aktivitelerine, hücre içi radikal ve membran LPO düzeylerine etkilerinin aydınlatılması

    AYŞE KARADENİZ YAZICI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    BiyokimyaDokuz Eylül Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEMAN TARHAN

  4. Tez No

    647728

    Prothioconazole'ün Fusariumun referans suşları üzerindeki etkilerinin hücresel gösterimi

    Cellular display of the effects of prothioconazole on Fusarium reference strains

    MEHMET ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Biyolojiİstanbul Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLRUH ALBAYRAK

  5. Tez No

    677976

    Influence of boron nitride addition on the performance of high temperature PEM fuel cell based on polybenzimidazole membrane

    Polibenzimidazole temelli yüksek sıcaklık PEM yakıt hücresinin performansına bor nitrit ilavesinin etkisi

    DEDAR EMAD HUSSIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Kimya MühendisliğiAtılım Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    ASSOC. DR. YILSER DEVRİM

Geri Dön