دانلود مقاله غشاهای آمیخته یون- حلالپوش مشتق شده از پلی ایزاتین برای الکترولیز آب قلیایی

چکیده
     توسعه غشاهایی بر مبنای خواص شیمیایی اسکلت پلی آروماتیکی که از خواص مقاومت قلیایی زیاد، رسانایی یونی زیاد و انتقال ناچیز گاز برای الکترولیز آب قلیایی برخوردار باشند، یک چالش بزرگ بشمار میرود. از اینرو یک منومر آروماتیک جدید پایدار قلیایی حاوی گروههای جانبی یون-حلالپوش پلی اتیلن اکسید (PEO) سنتز شد و با ایزاتین و بی فنیل از روش هیدروکسی آلکیلاسیون کاتالیز شده با سوپر اسید پلیمریزه شد تا کوپلیمرهای یون-حلالپوش ارائه دهد. کوپلیمرهای آروماتیک تهیه شده با اسکلتی عاری از آریل اتر (P(IB-PEO)-y)، از خواص عالی تشکیل فیلم، پایداری حرارتی زیاد، جذب متوسط الکترولیت KOH و رسانایی نسبتاً پایین برخوردار هستند. بنابراین برای توسعه بیشتر جذب الکترولیت و رسانایی یونی، کوپلیمرهای P(IB-PEO)-20 با پلی بنز ایمیدازول با نسبت 20/80، 30/70، 40/60 و 50/50 مخلوط شدند. غشاهای مخلوط تهیه شده میتوانند الکترولیت زیادی را (تا 97 wt%) جذب کنند و بیشترین رسانایی یونی 110 mS〖cm〗^(-1) در ℃80 برای مخلوط PBI80/P(IB-PEO) مشاهده شده است. غشای PBI70/P(IB-PEO) آغشته به محلول KOH یک مقاومت کششی 20MPa و افزایش قابل توجهی در مدول یانگ (131%) در مقایسه با غشای PBI80/P(IB-PEO) نشان میدهد. تست پایداری قلیایی شرح داده است که غشای PBI80/P(IB-PEO) اساساً مدول یانگ بزرگتری (افزایش 144%) پس از یک ماه در محلول KOH 20wt% در ℃80 نسبت به همتای عمل نیامده خود نشان میدهد. همچنین غشاهای PBI80/P(IB-PEO) و PBI70/P(IB-PEO) حدود 98-96 درصد از رسانایی ذاتی خود را پس از عمل آوری حفظ میکنند که نشاندهندۀ مقاومت قلیایی عالی آنهاست. غشاهای منتخب در یک الکترولایزر سلول واحد برای ارزیابی امکانسنجی و رفتار انتقال گاز مورد آزمایش قرار گرفتند. 

1- مقدمه
     الکترولیز آب یک تکنولوژی کلیدی با امکان تولید هیدروژن و اکسیژن از طریق تجزیه الکتروشیمیایی آب میباشد [1]. هیدروژن از مدتها پیش بعنوان یک حامل انرژی نویدبخش دیگر جایگزین سوختهای فسیلی برای تولید برق در حمل و نقل، بخش صنعت، و گرمایش منازل شناخته شده است [2-4]. وقتی هیدروژن با کمک انرژی تجدیدپذیر تولید میشود، یک حامل انرژی فاقد کربن بوده و بنابراین گذر سبز به یک سیستم انرژی پایدارتر و مطمئن تر را تسهیل میکند [5, 6]. دو تکنولوژی تجاری الکترولیز آب در دماهای پایین وجود دارند که شامل الکترولایزرهای قلیایی متعارف که از محلول KOH بسیار غلیظ بعنوان الکترولیت و یک جداساز متخلخل استفاده میکنند و الکترولایزرهای غشاء تبادل یون (PEM) هستند. گرچه کاتالیزورهای ارزان و فراوان فاقد پلاتین، تحت شرایط قلیایی استفاده میشوند الکترولایزرهای قلیایی از مقاومت درونی زیاد و انتقال گاز حاصله در جداساز متخلخل رنج میبرند. پیشنهاد شده است که این جداساز متخلخل با یک غشای پلیمری چگال غیرمتخلخل، تعویض شود، که یک سیستم غشاء تبادل پروتون (PEM) است که دارای چندین مزیت از جمله تولید هیدروژن بسیار خالص و چگالیهای جریان زیاد با راندمان نظری 90-80 % میباشد. با این وجود، الکترولایزرهای PEM گران هستند و به الکتروکاتالیزورهای گروه پلاتین گرانبهایی مثل پلاتین برای کاتد و ایریدیم برای آند وابسته هستند. همچنین پیاده سازی سیستم در مقیاس بزرگ بعلت دسترسی محدود به ایریدیم که بسیار نادرتر از پلاتین است، امکانپذیر نیست [7, 8]. 
     در دهه گذشته، الکترولایزرهای آب با غشاهای تبادل آنیون (AEM) بعنوان یک راهکار دیگر برای بررسی موانع مورد توجه قرار گرفته اند که مزایای الکترولایزرهای آب قلیایی مرسوم و PEM را یکجا با هم دارند [7-13]. ولی عوامل حیاتی مثل رسانایی ناکافی یون OH− و اصولاً عدم پایداری شیمیایی AEMها، کاربرد عملی این الکترولایزرها را محدود کرده اند [14]. در خصوص پایداری شیمیایی، هم واحدهای کاتیونی و هم اسکلت پلیمر در AEMها مستعد حمله نوکلئوفیلی بوسیله یونهای هیدروکسید هستند که موجب از دست رفتن رسانش و مقاومت مکانیکی میگردد که در اصل، نقطه ضعفی در الکترولایزرهای قلیایی محسوب میشود. بنابراین چند رویکرد برای بهبود تجزیه گروههای کاتیونی عاملی در محیط قلیایی پیشنهاد شده اند اما گرچه تاکنون پیشرفتهای زیادی صورت گرفته اند ماندگاری AEMها یک چالش بزرگ به شمار میرود [15]. 

4- نتیجه گیری
     منومرهای پایدار قلیایی و کوپلیمرهای متناظر آنها که حاوی واحدهای PEO و ایزاتین با خواص یون-حلالپوش بودند از روش هیدروآلکیلاسیون کاتالیز شده با سوپراسید سنتز شدند. کوپلیمرهای سنتز شده توانایی عالی در تشکیل فیلم، پایداری حرارتی زیاد، و جذب KOH و رسانایی متوسطی نشان میدهند. برای تقویت جذب الکترولیت و در نتیجه، افزایش رسانایی، این کوپلیمرها با پلی بنزایمیدازول با نسبتهای وزنی مختلف مخلوط شدند. غشاهای ساخته شده، قابلیت تورم متوسطی در مقایسه با m-PBI خالص داشته و جذب الکترولیت زیادی (بیش از 97wt%) نشان میدهند. آمیزه PBI80/P(IB-PEO) بزرگترین مقدار رسانایی یونی  را در ℃80 نشان داده است. ارزیابی خواص مکانیکی نشان داده است که غشای PBI70/P(IB-PEO) آغشته به KOH دارای مقاومت کششی 20MPa و مدول یانگ بسیار بزرگتر (131%) در مقایسه با PBI80/P(IB-PEO) میباشد. مطالعه پایداری قلیایی، مقاومت قلیایی عالی غشاهای PBI80/P(IB-PEO) و PBI70/P(IB-PEO) تولید شده را نشان میدهد زیرا این غشاها 98-96 % از رسانایی اصلی شان را پس از یک ماه عمل آوری در محلول 20wt% KOH در ℃80 حفظ میکنند. تغییرات خواص مکانیکی نیز پس از عمل آوری ثبت شدند که دلالت داشت بر اینکه غشای PBI80/P(IB-PEO) عمل آوری شده مدول یانگ بهتری (افزایش 144%) نسبت به همتای عمل آوری نشده اش نشان میدهد که احتمالاً به برهمکنشهای قوی توسعه یافته بین گروههای ایمیدازول m-PBI با گروههای ایزاتین و یا PEO نسبت داده میشود. تست الکترولایزر سلول واحد غشای PBI80/P(IB-PEO) منتخب نشان داده است که مقادیر رسانایی درجای محاسبه شده کمتر از مقادیر رسانایی دگرجا هستند. همچنین انتقال هیدروژن اندازه گیری شد و مشخص شد که مقدار هیدروژن در ترازهای اکسیژن شبیه نتایج مطالعات انجام شده است که مقادیر تراوایی ویژه ای حدود 5 × 10− 12 mol s− 1 cm− 1 را گزارش میکنند.  

Abstract

     It is a great challenge to develop membranes based on polyaromatic backbone chemistries that combine high alkaline resistance with high ionic conductivity and low gas crossover for alkaline water electrolysis. Hence, a new alkaline stable aromatic monomer containing side ion-solvating poly(ethylene oxide) (PEO) groups was synthesized and polymerized with isatin and biphenyl via super acid catalyzed hydroxyalkylation to yield ion-solvating copolymers. The prepared aryl-ether free backbone aromatic copolymers (P(IB-PEO)-y) have excellent film-forming properties, high thermal stability, but moderate KOH electrolyte uptake and relatively low conductivity. Therefore, to further enhance the electrolyte uptake and ionic conductivity, P(IB-PEO)-20 copolymers were blended with polybenzimidazole in ratios 80/20, 70/30, 60/40 and 50/50. The prepared blend membranes exhibit high electrolyte uptakes (up to 97 wt%) while the highest ionic conductivity of 110 mS cm−1 at 80 °C was observed for PBI80/P(IB-PEO) blend. The KOH doped PBI70/P(IB-PEO) membrane shows a tensile strength of 20 MPa and a significant increase in Young's modulus (131%) compared to that of PBI80/P(IB-PEO). The alkaline stability test demonstrated that PBI80/P(IB-PEO) membrane exhibits a substantially higher Young's modulus (144% increase) than non-aged analogue, after 1 month in 20 wt% KOH solution at 80 °C. Further, PBI80/P(IB-PEO) and PBI70/P(IB-PEO) membranes retained 96–98% of their original conductivity after aging, indicating their excellent alkaline resistance. Selected membranes were tested in a single cell electrolyzer to probe feasibility and crossover behaviour.

1. Introduction

     Water electrolysis is a key technology enabling the production of hydrogen and oxygen via electrochemical splitting of water [1]. Hydrogen has been long recognized as a promising alternative energy carrier to replace fossil fuels for power generation in transportation, industrial sector and residential heating [2–4]. When hydrogen is generated using renewable energy, it has the potential to be a zero-carbon energy carrier, thus facilitating the green transition to a more secure, sustainable energy system [5,6]. There are two commercial water electrolysis technologies at low temperatures, the conventional alkaline electrolyzers that use highly concentrated aqueous KOH solution as electrolyte and a porous separator and the proton exchange membrane (PEM) electrolyzers. Although abundant and inexpensive platinum-free catalysts can be utilized under alkaline conditions, alkaline electrolyzers suffer from high internal resistance and product gas crossover through the porous separator. This has driven to the replacement of the porous separator with a non-porous, dense polymeric membrane, a proton exchange membrane system (PEM) that offers several advantages including high-purity hydrogen production and high current densities with a theoretical efficiency of 80–90%. Nevertheless, PEM electrolyzers are expensive and depend on precious platinium group electrocatalysts such as platinium for the cathode and iridium for the anode. In addition, large scale system implementation is practically unfeasible due to the limited availability of iridium which is much rarer that platinum [7,8].

     Anion exchange membranes (AEM) water electrolyzers have gained much attention the last decade as an alternative solution that addresses the drawbacks and combines the merits of PEM and conventional alkaline water electrolyzers [7–13]. However, the insufficient OH− ion conductivity and mainly the lack of chemical stability of AEMs are critical factors that hinder their practical use [14]. Regarding the chemical stability, both cationic moieties and polymer backbone in AEMs are susceptible to nucleophilic attack by hydroxide ions, leading to the loss of conductivity and mechanical strength, which in turn causes a failure in alkaline electrolyzers. Therefore, several approaches have been proposed to ameliorate the degradation of functional cationic groups in alkaline media but so far, although much progress has been made the durability of AEMs remains a big challenge [15].

4. Conclusions

     Alkaline stable monomers and their corresponding copolymers containing both PEO and isatin segments with ion-solvating properties were synthesized via super acid catalyzed hydroxyalkylation. The synthesized copolymers show excellent film forming ability, high thermal stability, moderate KOH uptake and conductivity. To boost electrolyte absorption and consequently conductivity, these copolymers were blended with polybenzimidazole at different weight ratios. The fabricated membranes exhibit a moderate swelling ability compared to that of neat m-PBI and high electrolyte uptakes (up to 97 wt%). The PBI80/P (IB-PEO) blend showed the highest ionic conductivity value of 110 mS cm− 1 at 80 ◦C. Evaluation of the mechanical properties revealed that the KOH doped PBI70/P(IB-PEO) membrane possesses a tensile strength of 20 MPa and a much higher Young’s modulus (131%) compared to that of PBI80/P(IB-PEO). Alkaline stability study unveiled the excellent alkaline resistance of the prepared PBI80/P(IB-PEO) and PBI70/P(IB-PEO) membranes since they preserved 96–98% of their original conductivity after aging for 1 month in 20 wt% KOH solution at 80 ◦C. Further, the changes in the mechanical properties were also recorded after aging revealing that the aged PBI80/P(IB-PEO) membrane exhibits superior Young’s modulus (144% increase) compared to that of the non-aged analogue, probably attributed to the strong interactions developed between m-PBI’s imidazolide groups with isatin and/or PEO groups. Single cell electrolyzer testing of the selected PBI80/P(IB-PEO) membrane demonstrated that in situ calculated values are lower than ex-situ conductivity values. In addition, hydrogen crossover was measured and hydrogen in oxygen levels were found comparable to similar work in literature, showing estimated specific permeabilities around 5 × 10− 12 mol s− 1 cm− 1 .

(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)

چکیده
1- مقدمه
2- روند آزمایشات
2.1- مواد
2.2- سنتز منومر p–ترفنیل عاملدار با گروه جانبی PEO
2.3- سنتز کوپلیمرهای P(IB-PEO)-y 
2.4- تهیه غشای آمیخته
2.5- تعیین مشخصات
2.6- جذب الکترولیت و نسبت تورم
2.7- رسانایی یونی
2.8- پایداری قلیایی
2.9- تست الکترولایزر
3- نتایج و بحث
3.1- سنتز منومر، پلیمر و تعیین مشخصات
3.2- تهیه غشای آمیخته و تعیین مشخصات آن
3.2.1- جذب الکترولیت، نسبت تورم و زاویه تماس
3.2.2- پایداری حرارتی
3.2.3- خواص مکانیکی
3.2.4- رسانایی یونی
3.2.5- پایداری قلیایی
3.2.6- تست سلول الکترولیز
3.2.7- انتقال گاز هیدروژن
4- نتیجه گیری
منابع

Abstract
Graphical abstract
1. Introduction
2. Experimental
2.1. Materials
2.2. Synthesis of PEO side functionalized p-terphenyl monomer
2.3. Synthesis of P(IB-PEO)-y copolymers
2.4. Blend membrane preparation
2.5. Characterization
2.6. Electrolyte uptake and swelling ratio
2.7. Ionic conductivity
2.8. Alkaline stability
2.9. Electrolyser testing
3. Results and discussion
3.1. Monomer, polymer synthesis and characterization
3.2. Blend membrane preparation and characterization
3.2.1. Electrolyte uptake, swelling ratio and contact angle
3.2.2. Thermal stability
3.2.3. Mechanical properties
3.2.4. Ionic conductivity
3.2.5. Alkaline stability
3.2.6. Electrolysis cell testing
3.2.7. Hydrogen crossover
4. Conclusions
Author Statement
Declaration of competing interest
Acknowledgements
Appendix A. Supplementary data
Data availability
References

این محصول شامل پاورپوینت ترجمه نیز می باشد که پس از خرید قابل دانلود می باشد. پاورپوینت این مقاله حاوی 26 اسلاید و 4 فصل است. در صورت نیاز به ارائه مقاله در کنفرانس یا سمینار می توان از این فایل پاورپوینت استفاده کرد.

در این محصول، به همراه ترجمه کامل متن، یک فایل ورد ترجمه خلاصه نیز ارائه شده است. متن فارسی این مقاله در 11 صفحه (2700 کلمه) خلاصه شده و در داخل بسته قرار گرفته است.

علاوه بر ترجمه مقاله، یک فایل ورد نیز به این محصول اضافه شده است که در آن متن به صورت یک پاراگراف انگلیسی و یک پاراگراف فارسی درج شده است که باعث می شود به راحتی قادر به تشخیص ترجمه هر بخش از مقاله و مطالعه آن باشید. این فایل برای یادگیری و مطالعه همزمان متن انگلیسی و فارسی بسیار مفید می باشد.

بخش مهم دیگری از این محصول لغت نامه یا اصطلاحات تخصصی می باشد که در آن تعداد 65 عبارت و اصطلاح تخصصی استفاده شده در این مقاله در یک فایل اکسل جمع آوری شده است. در این فایل اصطلاحات انگلیسی (تک کلمه ای یا چند کلمه ای) در یک ستون و ترجمه آنها در ستون دیگر درج شده است که در صورت نیاز می توان به راحتی از این عبارات استفاده کرد.