Development of novel proton conducting polymer membranes and investigation of their structure-property relationship
Yeni proton iletken polimer membranların geliştirilmesi ve membrandaki yapı-özellik ilişkisinin incelenmesi
- Tez No: 441691
- Danışmanlar: PROF. DR. ÜMİT TUNCA, PROF. DR. ADEM LEVEND DEMİREL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 210
Özet
Polimer elektrolit membranlı yakıt pilleri (PEMYP), tasarım kolaylığı, yüksek güç yoğunluğu ve enerji dönüşüm verimi ve düşük çalışma sıcaklığı nedeniyle otomotiv ve taşınabilir güç kaynağı uygulamalarında en umut verici yakıt pili tekniği olarak dikkat çekmektedir. Polimer elektrolit membran (PEM), yüksek proton iletkenlik ve kullanım ömrü gibi yakıt pili performansına olan doğrudan etkisi nedeniyle PEMYP'nin en önemli bileşenidir. Yakıt pilinde yaygın olarak kullanılan Nafionun yüksek üretim maliyetleri ve yapısında yüksek oranda flor içermesinden dolayı duyulan çevresel endişeler, yeni membran malzemelerinin tasarımına ihtiyaç doğurmuştur. Bu çalışmada, PEM malzemesi olarak tasarlanan çok kollu yıldız blok kopolimer, yıldız blok ve aşı blok iyonomerler sentezlenerek proton iletken membran oluşturma özellikleri ve PEMYP performansları belirlenmiştir. Serbest radikal polimerizasyonu yaygın şekilde malzeme sentezinde kullanılıyor olmasına rağmen, iyonik polimerizasyondaki gibi bileşimleri ve fonksiyonaliteleri üzerinde etkili kontrolden yoksundur. Atom transfer radikal polimerizasyonu (ATRP), nitroksit ortamlı radikal polimerizasyonu (NMP), ve tersinir eklenme-ayrılma zincir transfer polimerizasyonu (RAFT) olmak üzere kontrollü/yaşayan radikal polimerizasyon (C/LRP) yöntemleri çok yönlü sentetik araçlar olup, molekül ağırlığı tam olarak kontrol edilebilen, oldukça düşük molekül ağırlığı dağılımları ile farklı kompozisyonlarda (blok, aşı, alternatif dönüşümlü kopolimerler), ve çeşitli fonksiyonitelere sahip yeni bir (ko) polimerlerin hazırlanmasını sağlar. Çok yönlü, verimli, özel ve enerji olarak tercih edilen kimyasal reaksiyonlar anlamına gelen“click”terimi ilk sentetik kimyada daha sonraları polimer ve malzeme biliminde son derece popüler evrensel araçlar haline gelmiştir. Son zamanlarda,“click”reaksiyonları, özellikle Cu (I)-katalizli azit-alkin siklokatılma (CuAAC) reaksiyonu ve Diels-Alder reaksiyonu ileri makromoleküler tasarım için son derece güçlü araçlar olarak gösterilmiştir. Bu tezde, kontrollü/“yaşayan”radikal polimerizasyon (C/LRP) yöntemlerinden biri olan atom transfer radikal polimerizasyon, click kimyası ve post-sülfonasyon yöntemlerini kullanarak iyi tanımlanmış yapıda yeni proton iletken polimerler başarıyla sentezlenmiştir. Sentezlenen yapılar; iyonik ve hidrofobik bloklar arasında nano- ve mikroskopik faz ayrımı meydana getirmesi için uyarlanmış florsuz iyonik ve florlu hidrofobik bloklara sahip çok kollu yıldız ve yıldız blok kopolimer iyonomer, yıldız-blok ve aşı blok kopolimer iyonomerlerdir. İlk çalışmada, 15, 11 ve 6 kol sayısında PS yıldız polimer ve polistiren-b-poli(2,2,3,3,3-pentafloropropil metakrilat) (PS-b-PFPMA) yıldız blok kopolimerler kol öncelikli yaklaşımla ATRP ve Diels-Alder click reaksiyonu kullanılarak hazırlanmıştır. İkinci çalışmada, 3-kollu yıldız (PS)3, 3- kollu yıldız PFPMA (PFPMA)3, 3- kollu yıldız (PFPMA-b-PS)3 blok kopolimerleri çekirdek öncelikli yaklaşımla ATRP yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. CuAAC ve Diels–Alder click reaksiyonları ile tek aşamada poli(pentafloropropil metakrilat)-b-poli(antiril metakrilat)-g-(polistiren) (PFPMA-b-PAnMMA-g-PS) aşı blok kopolimerinin hazırlanması bu çalışmanın üçüncü aşamasıdır. Tüm polimerler, PS bloğunun fenil halkasının sülfonasyonuyla iyonomerlerine dönüştürülmüştür. Sülfonlu çok kollu yıldız blok kopolimer, 3-kollu yıldız blok ve aşı blok kopolimer ve sülfonlu polifenilen oksit (SPPO) ile karışım membranlarından oluşan proton iletken membranların hazırlanması çözücülü dökme yöntemi ile gerçekleşmiştir. Karışım membranlar, membran esnekliğini artırmak için hazırlanmıştır. Kol sayısı ve sülfonik asit içeriğinin etkisini araştırmak için iyonik iletkenlikleri, su tutma kapasiteleri, termal ve kimyasal dayanıklılığının belirlenmesi kapsamında membranların karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, farklı iyon değişim kapasiteleri, farklı kol sayısı, membranın hidrasyonu ve yıldız blok iyonomerlerinin molekül ağırlığının yapı-özellik üzerine etkisini araştırmak için yıldız, yıldız blok iyonomer ve membranlarının morfolojisi Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Küçük Açılı X-Işını Saçılımı (SAXS) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) teknikleriyle karakterize edilmiştir. Son olarak, daha esnek ve yüksek proton iletkenliğini içeren uygun özelliklere sahip 3-kollu ve aşı blok kopolimer iyonomerlerin SPPO ile karışım polimer elektrolit membranları seçilmiş ve tek hücre proton iletken membran yakıt pili (PEMYP) performansları ölçülmüştür.
Özet (Çeviri)
Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is considered as the most promising fuel cell techniques for automotive and portable power applications due to its simplicity in design and operational properties. PEM is the key element of PEMFC, as the performance of fuel cell is directly affected by membrane properties such as high proton conductivity and durability. Due to the high cost of production of NafionTM and environmental concerns resulting from its high fluorine content, it is of need to design novel membrane materials. In this study, multi-arm star block copolymer, star block and graft block ionomers were synthesized. The properties of ionomers as proton conducting membrane and their PEMFC performances were defined. Although free radical polymerization has been widely used in materials synthesis, it lacks effective control over the compositions and functionalities as do ionic polymerizations. Controlled/living radical polymerization (C/LRP) methods including atom transfer radical polymerization (ATRP), nitroxide mediated radical polymerization (NMP), and reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization (RAFT) are versatile synthetic tools that enables the preparation of new (co)polymers with precisely controlled molecular weight, relatively low dispersities, different composition (block, graft, alternating gradient copolymers), and diverse functionalities. The term“click”refers to versatile, efficient, specific and energetically favored chemical reactions, which could become universal tools first in synthetic chemistry lately extremely popular in polymer and materials science. Click reactions, in particular, Cu(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) reaction and Diels-Alder reaction, have recently shown to be extremely powerful tools for advanced macromolecular design. In this thesis, novel proton conducting polymers with different well-defined macromolecular architectures were successfully synthesized using controlled/“living”radical polymerization methods particularly ATRP, click chemistry and post-sulfonation reaction. The synthesized structures are multi-arm star and star block copolymer ionomers and graft block copolymers possessing non-fluorinated ionic and fluorinated blocks, which are all tailored to achieve nano- and micro-scopic phase separation of ionic and hydrophobic domains. In the first study, multiarm star polystyrene (PS) and multiarm star polystyrene-b-poly(2,2,3,3,3-pentafluoropropyl methacrylate) (PS-b-PFPMA) block copolymers with the average number of arms 15, 11 and 6 were successfully prepared via ATRP and Diels-Alder (DA) click chemistry based on arm first approach. Second, 3-arm star PS (PS)3, 3-arm star PFPMA (PFPMA)3 and 3-arm star (PFPMA-b-PS)3 block copolymers were synthesized by using ATRP method based on core first approach. The third step of this study was to the preparation of poly(2,2,3,3,3-pentafluoropropyl methacrylate)-b-poly(9-anthracenylmethyl methacrylate)-g-(polystyrene) (PFPMA-b-PAnMMA-g-PS) graft block copolymer by one pot CuAAC and Diels–Alder click reactions. All polymers were converted to their ionomers by sulfonation of phenyl ring of polystyrene block. The preparation of all proton conducting the membranes from sulfonated multiarm star block copolymer, 3-arm star block and graft block copolymer and its sulfonated poly(phenylene oxide) (SPPO) blends carried out using solvent casting method. Blend membranes were prepared in order to increase the flexibility of the membranes. Characterization of membranes were performed to investigate the effect of the arm number and sulfonic acid content in terms of ionic conductivity, water uptake, thermal and chemical stability. Moreover, morphology of star, star block ionomers and membranes were characterized by Atomic Force Microscope (AFM), Small Angle X-ray Scattering (SAXS) and Scanning Electron Microscopy (SEM) to examine the effect of different IECs, different number of arms, hydration of the membranes and the molecular weight of star block ionomers on the structure-property relationship. Finally, polymer electrolyte membranes with blend type of 3-arm star and graft block copolymer ionomer with SPPO having desired properties including more flexibility and higher proton conductivity were selected and characterized in their single-cell proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) performances.
Benzer Tezler
- 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
- Novel ion conducting polymer matrices: Synthesis, characterizations and applications
Yeni iyon iletken polimer matrisler: Sentezi, karakterizasyonu ve uygulaması
SEVİM ÜNÜGÜR ÇELİK
- Proton conductive polymer/metal organic framework composi̇te membranes
Proton iletken polimer/metal organik kafes yapılar içeren kompozit membranlar
MUSTAFA ERKARTAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
EnerjiAbdullah Gül ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜNAL ŞEN
- 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
DENİZ SİNİRLİOĞLU
Doktora
İngilizce
2016
KimyaFatih ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ EKREM MÜFTÜOĞLU
PROF. DR. AYHAN BOZKURT
- Bending actuators based on ionic electroactive polymers
İyonik elektroaktif polimer esaslı bükülme eyleyicileri
SHAYAN MEHRAEEN
Doktora
İngilizce
2018
Metalurji MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL