1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Коллоидный журнал
  4. T. 85, № 6, 2023

Коллоидный журнал, 2023, T. 85, № 6, стр. 738-747

Влияние инертного фторполимера на равновесные и динамические гидратные характеристики мембраны МФ-4СК

Н. А. Кононенко 1, С. А. Шкирская 1, *, М. В. Рыбалко 1, Д. А. Зотова 1

1 Кубанский государственный университет
350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149, Россия

* E-mail: shkirskaya@mail.ru

Поступила в редакцию 17.07.2023
После доработки 09.08.2023
Принята к публикации 09.08.2023

Аннотация

Изучено влияние природы и количества инертного компонента в составе перфторированной сульфокатионитовой мембраны МФ-4СК на ее равновесные физико-химические и транспортные свойства. Исследованы обменная емкость, влагосодержание, удельная влагоемкость, удельная электропроводность, диффузионная и электроосмотическая проницаемость двух серий мембран МФ-4СК с варьируемым содержанием инертных фторполимеров, полученных методом отливки из растворов полимеров в диметилформамиде. На основании изучения распределения воды по энергиям связи и эффективным радиусaм пор и чисел переноса воды во внешнем электрическом поле установлена взаимосвязь между равновесными и динамическими гидратными характеристиками образцов. Установлено, что природа и содержание инертного компонента в составе перфторированной мембраны оказывает более существенное влияние на состояние воды в равновесных условиях, чем на электроосмотический перенос воды во внешнем электрическом поле.

Ключевые слова: ионообменная перфторированная мембрана, электроосмотическая проницаемость, числа переноса воды, эффективный радиус пор, распределение воды по энергиям связи в мембране, удельная электропроводность

Список литературы

  1. Филиппов С.П., Ярославцев А.Б. Водородная энергетика: перспективы развития и материалы // Успехи химии. 2021. Т. 90. № 6. P. 627–643. https://doi.org/10.1070/RCR5014

  2. Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н., Самсонов Р.О., Козлов С.И. Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспективы // Транспорт на альтернативном топливе. 2008. № 3(3). С. 62–69.

  3. Иванчев С.С., Мякин С.В. Полимерные мембраны для топливных элементов: получение, структура, модифицирование, свойства // Успехи химии. 2010. Т. 79. № 2. С. 117–134.

  4. Tellez-Cruz M.M., Escorihuela J., Solorza-Feria O., Compan V. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs): Advances and challenges // Polymers. 2021. V. 13. № 18. P. 3064–3117. https://doi.org/10.3390/polym13183064

  5. Okonkwo P.C., Belgacem I.B., Emori W., Uzoma P.C. Nafion degradation mechanisms in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) system: A review // International Journal of Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 55. P. 27956–27973. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.06.032

  6. Borup R., Meyers J., Pivovar B., Kim Y.S. et al. Scientific aspects of polymer electrolyte fuel cell durability and degradation // Chemical Reviews. 2007. V. 107. № 10. P. 3904–3951. https://doi.org/10.1021/cr050182l

  7. El-Kharouf A., Chandan A., Hattenberger M., Pollet B.G. Proton exchange membrane fuel cell degradation and testing: Review // Journal of the Energy Institute. 2012. V. 85. № 4. P. 188–200. https://doi.org/10.1179/1743967112Z.00000000036

  8. de Bruijn F.A., Dam V.A.T., Janssen G.J.M. Review: Durability and degradation issues of PEM fuel cell components // Fuel Cells. 2008. V. 8. № 1. P. 3–22. https://doi.org/10.1002/fuce.200700053

  9. Sorrentino A., Sundmacher K., Vidakovic-Koch T. Polymer electrolyte fuel cell degradation mechanisms and their diagnosis by frequency response analysis methods: A review // Energies. 2020. V. 13. № 21. P. 5825–5854. https://doi.org/10.3390/en13215825

  10. Григорьев С.А., Джусь К.А., Бессарабов Д.Г., Маркелов В.В., Фатеев В.Н. Исследование механизмов деградации мембранно-электродных блоков твердополимерных электролизеров воды // Электрохимическая энергетика. 2014. Т. 14. № 4. С. 187–196.

  11. Григорьев С.А., Бессарабов Д.Г., Фатеев В.Н. О механизмах деградации характеристик мембранно-электродных блоков при твердополимерном электролизе воды // Электрохимия. 2017. Т. 53. № 3. С. 359–365. https://doi.org/10.7868/80424857017030069

  12. Ярославцев А.Б., Добровольский Ю.А., Шаглаева Н.С., Фролова Л.А., Герасимова Е.В., Сангинов Е.А. Наноструктурированные материалы для низкотемпературных топливных элементов // Успехи химии. 2012. Т. 81. № 3. С. 191–220.

  13. Bauer F., Willert-Porada M. Comparison between Nafion® and a Nafion® zirconium phosphate nano-composite in fuel cell applications // Fuel Cells. 2006. V. 6. № 3–4. P. 261–269. https://doi.org/10.1002/fuce.200500217

  14. Сафронова Е.Ю., Стенина И.А., Ярославцев А.Б. Синтез и исследование гибридных мембран МФ-4СК–SiO2, модифицированных фосфорно-вольфрамовой гетерополикислотой // Журн. неорганической химии. 2010. Т. 55. № 1. С. 16–20.

  15. Prykhodko Y., Fatyeyeva K., Hespel L., Marais S. Progress in hybrid composite Nafion®-based membranes for proton exchange fuel cell application // Chemical Engineering Journal. 2021. V. 409. P. 127329. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127329

  16. Zhang Y., Zhang H., Bi C., Zhu X. An inorganic/organic self-humidifying composite membranes for proton exchange membrane fuel cell application // Electrochimica Acta. 2008. V. 53. № 12. P. 4096–4103. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.12.045

  17. Shkirskaya S.A., Kononenko N.A., Timofeev S.V. Structural and electrotransport properties of perfluorinated sulfocationic membranes modified by silica and zirconium hydrophosphate // Membranes. 2022. V. 12. № 12. P. 979. https://doi.org/10.3390/membranes12100979

  18. Mirfarsi S.H., Parnian M.J., Rowshanzamir S. Self-humidifying proton exchange membranes for fuel cell applications: Advances and challenges // Processes. 2020. V. 8. № 9. P. 1069. https://doi.org/10.3390/pr8091069

  19. Каюмов Р.Р., Сангинов Е.А., Золотухина Е.В., Герасимова Е.В., Букун Н.Г., Укше А.Е., Добровольский Ю.А. “Самоувлажняемые” нанокомпозитные мембраны Nafion/Pt для низкотемпературных твердополимерных топливных элементов // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 13 (135). P. 40–48.

  20. Hagihara H., Uchida H., Watanabe M. Preparation of highly dispersed SiO2 and Pt particles in Nafion®112 for self-humidifying electrolyte membranes in fuel cells // Electrochimica Acta. 2006. V. 51. № 19. P. 3979–3985. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.11.012

  21. Yang T. A Nafion-based self-humidifying membrane with ordered dispersed Pt layer // International Journal of Hydrogen Energy. 2008. V. 33. № 10. P. 2530–2535. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.02.060

  22. Yang H.N., Lee D.C., Park S.H., Kim W.J. Preparation of Nafion/various Pt-containing SiO2 composite membranes sulfonated via different sources of sulfonic group and their application in self-humidifying PEMFC // Journal of Materials Science. 2013. V. 443. P. 210–218. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.04.060

  23. Кудашова Д.С., Кононенко Н.А., Бровкина М.А., Фалина И.В. Изучение деградации перфторированной мембраны в процессе работы в водородном топливном элементе // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 1. С. 29–37. https://doi.org/https://doi.org/10.1134/S2218117222010059

  24. Кудашова Д.С., Фалина И.В., Кононенко Н.А., Демиденко К.С. Физико-химические свойства и эксплуатационные характеристики объемно модифицированных платиной перфторированных мембран при работе в водородном топливном элементе // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 1. С. 23–32. https://doi.org/10.31857/S2218117223010042

  25. Qing G., Kikuchi R., Takagaki A., Sugawara T., Oyama S.T. CsH2PO4/Polyvinylidene fluoride composite electrolytes for intermediate temperature fuel cells // Journal of The Electrochemical Society. 2014. V. 161. № 4. P. F451. https://doi.org/10.1149/2.052404jes

  26. Bagryantseva I.N., Ponomareva V.G., Khusnutdinov V.R. Intermediate temperature proton electrolytes based on cesium dihydrogen phosphate and poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) // Journal of Materials Science. 2021. V. 56. P. 14196–14206. https://doi.org/10.1007/s10853-021-06137-0

  27. Bagryantseva I.N., Kungurtsev Y.E., Ponomareva V.G. Proton-conducting membranes based on CsH2PO4 and copolymer of tetrafluoroethylene with vinylidene fluoride // Chimica Techno Acta. 2022. V. 9. № 3. P. 20229303. https://doi.org/10.15826/chimtech.2022.9.3.03

  28. Falina I., Kononenko N., Timofeev S., Rybalko M., Demidenko K. Nanocomposite membranes based on fluoropolymers for electrochemical energy sources // Membranes. 2022. V. 12. № 10. P. 935. https://doi.org/10.3390/membranes12100935

  29. Balster J.H., Stamatialis D., Wessling M. Electro-catalytic membrane reactors and the development of bipolar membrane technology // Chemical Engineering and Processing. 2004. V. 43. № 9. P. 1115–1127. https://doi.org/10.1016/j.cep.2003.11.010

  30. Nagarale R.K., Gohil G.S., Shahi V.K. Recent developments on ion-exchange membranes and electro-membrane processes // Advances in Colloid and Interface Science. 2006. V. 119. № 2–3. P. 97–130. https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.09.005

  31. Berezina N.P., Kononenko N.A., Dyomina O.A., Gnusin N.P. Characterization of ion-exchange membrane materials: Properties vs structure // Advances in Colloid and Interface Science. 2008. V. 139. № 1–2. P. 3–28. https://doi.org/10.1016/j.cis.2008.01.002

  32. Rouquerol J., Baron G., Denoyel R. et al. Liquid intrusion and alternative methods for the characterization of macroporous materials (IUPAC Technical Report) // Pure and Applied Chemistry. 2012. V. 84. № 1. P. 107–136. https://doi.org/10.1351/PAC-REP-10-11-19

  33. Volfkovich Yu., Filippov A., Bagotsky V. Structural Properties of Porous Materials and Powders Used in Different Fields of Science and Technology. London: Springer. 2014. 328 p.

  34. Kononenko N., Nikonenko V., Grande D., Larchet C., Dammak L., Fomenko M., Volfkovich Yu. Porous structure of ion exchange membranes investigated by various techniques // Advances in Colloid and Interface Science. 2017. V. 246. P. 196–216. https://doi.org/10.1016/j.cis.2017.05.007

  35. Назырова Е.В., Кононенко Н.А., Шкирская С.А., Демина О.А. Сравнительное исследование электроосмотической проницаемости ионообменных мембран объемным и гравиметрическим методами // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 3. С. 165–172.https://doi.org/10.31857/S2218117222030063

  36. Термопластичные фторполимеры http://plastpolymer.org/.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Коллоидный журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал