شماره راهنما :
1584 دكتري
پديد آورنده :
آناهيدزاده، نصيبه
عنوان :
هدايت يون در غشاهاي پليمري حاوي چهارچوب آلي فلزي Cr-MIL-101-NH2 براي كاربرد در پيل هاي سوختي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
چهارده، 93ص.:مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
امير عبدالملكي، محمد ديناري
توصيفگر ها :
غشاء هدايت كننده يون , چهارچوب آلي فلزي , پيل سوختي , پيوندهاي عرضي , مواد متخلخل
استاد داور :
مهران غياثي، حسين توكل، غلامعلي كوهمره
تاريخ ورود اطلاعات :
1399/04/18
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1399/04/18
چكيده فارسي :
چكيده در اين رساله تالش شده تا غشاهاي الكتروليت كامپوزيت جديد كه توانايي تامين تمامي نيازهاي يك غشا الكتروليت جامد پليمري مقرون به صرفه در هر دو نوع پيلهاي سوختي غشايي مبادله كننده پروتون PEM FCs و پيلهاي سوختي غشايي هدايت كننده آنيون AEM FCs را داشته باشند طراحي و ساخته شوند به منظور تحقق اين هدف با درك و تركيب شيمي آلي الكتروشيمي و علم مواد رويكردهاي مختلف بهطور موثر ادغام و بهبود يافتند در ابتدا چهارچوب آليفلزي MOF سه بعدي متخلخل 101 Cr M IL ساخته شد و گروههاي عاملي 2 NH با استفاده از فرايند اصالح پس از سنتز بر روي آن قرار گرفتند سپس چهارچوب آليفلزي تهيه شده با غشاي تجاري يا نوع ديگري از بستر پليمري تركيب شد در نهايت تركيب فوايد چهارچوب آليفلزي فوق الذكر با يك الكتروليت پليمري غشاهاي الكتروليتي با هدايت يون موثر قابليت نگهداري آب و دوام باال را ايجاد كرد خواص الكتروشيميايي حرارتي فيزيكي و شيميايي غشاهاي پيشنهادي با استفاده از روشهاي مختلف توصيف شده و مورد تجزيه و تحليل قرار گرفتند در قسمت اول غشا هدايت كننده پروتون كامپوزيت با چهارچوب آليفلزي از طريق اتصال 2 Cr M IL 101 NH به زنجيرههاي پلي اتر سولفون ساخته شد سپس تاثير چهارچوب آليفلزي فوق بر خصوصيات غشا به عنوان گروههاي آمينه متخلخل مورد بررسي قرار گرفت ظرفيت نگهداري اسيد و هدايت پروتون غشا در دماهاي باال و رطوبت پايين به دليل حضور چهارچوبهاي آلي فلزي هدايت 40 0 زيمنس بر سانتيمتر در دماي 061 درجه سانتيگراد و رطوبت صفر درصد بهبود يافتند بعالوه پيوندهاي عرضي ايجاد شده در نتيجه اتصال چهارچوبهاي آليفلزي به زنجيرههاي پليمري باعث بهبود خواص مكانيكي و جذب آب غشا شدند همچنين مقاومت غشا در مقابل تورم عوامل اكسيد كننده و عبور سوخت را افزايش دادند در قسمت دوم به منظور ايجاد تعادل بين هدايت و پايداري در غشاهاي هدايت كننده آنيون و همچنين بهمنظور بررسي تاثير چهارچوب آليفلزي براي غلبه بر اين مشكل دو غشا semi IPN semi Interpenetrating network و semi IPN M OF تهيه شدند سپس تاثير چهارچوب آلي فلزي بر خصوصيات غشا مانند ظرفيت تبادل يون جذب آب ميزان تورم هدايت يون هيدروكسيد خواص حرارتي و مكانيكي ميزان عبور متانول از عرض غشا پايداري قليايي و در نهايت عملكرد غشا در پيل سوختي مورد برررسي قرار گرفت نتايج نشان دادند كه افزايش ظرفيت تبادل يون ناشي از افزايش گروههاي عاملي چهارتايي منجر به جذب آب بيشتر 37 درصد در مقابل 84 درصد در غشا شده است در مقابل شبكه پيوندهاي عرضي به همراه ديوارههاي محكم چهارچوبهاي آليفلزي از تورم بيش از حد غشا جلوگيري ميكنند سرانجام چهارچوبهاي محكم متخلخل و آب دوست 2 Cr MIL 101 NH از طريق تشكيل نانوكانالهاي آب دوست پيوسته هدايت يون هيدروكسيد را به ميزان قابل توجهي افزايش دادند 70 0 زيمنس بر سانتيمتر در مقابل 10 0 زيمنس بر سانتيمتر در دماي 03 درجه سانتيگراد اين استراتژي يك روش اميدواركننده در ايجاد تعادل بين هدايت يون هيدروكسيد و خصوصيات فيزيكوشيميايي در غشاهاي هدايت كننده آنيون است در كار آخر بهمنظور تهيه يك غشا هدايت كننده آنيون با هزينه پايين از پليمر تجاري پلي سولفون به عنوان بستر پليمري استفاده شد سپس پلي سولفون كلرو متيله با استفاده از واكنشهاي كلرومتيله شدن تهيه شد در مرحله بعد 2 Cr M IL 101 NH هاي دوپ شده با متيل ايميدازول از طريق واكنش با گروههاي كلرومتيله به زنجيرههاي پليمري متصل شدند بعد از آن تاثير چهارچوبهاي آليفلزي دوپ شده با متيل ايميدازول به عنوان عامل ايجاد كننده پيوندهاي عرضي و هدايت كننده يون در دو غشا 01 M eIm@M OF و 02 M eIm@M OF مورد بررسي قرار گرفتند ميزان ظرفيت تبادل يون غشا جذب آب هدايت يون غشا 02 M eIm@M OF با افزايش گروههاي آمونيوم چهارتايي و كاتيونهاي ايميدازوليوم موجود د ر نانوكانالهاي M OF افزايش پيدا كردند همچنين چهارچوبهاي آليفلزي با ايجاد پيوندهاي عرضي بين زنجيرههاي پليمري باعث افزايش مقاومت مكانيكي و جلوگيري از تورم بيش از حد غشا شدند در نهايت پايداري نسبتا خوب غشا 02 M eIm@M OF در محيط قليايي نشان از آينده اميدواركننده چهارچوب آليفلزي 2 Cr MIL 101 NH در زمينه پيلهاي سوختي هدايتكننده يون دارد كلمات كليدي غشا هدايت كننده يون چهارچوب آليفلزي پيل سوختي پيوندهاي عرضي مواد متخلخل
چكيده انگليسي :
89AbstractThe main goal of this research project has been the design and fabrication of novel compositeelectrolyte membranes that fulfills all the requirements for a cost effective solid electrolytemembrane in both PEMFCs and AEMFCs To accomplish this different approaches havebeen effectively integrated and improved by understanding and combination of organicchemistry electrochemistry and materials science Cr MIL 101 a chromium based three dimensional porous material was synthesized successfully via a hydrothermal reaction thenthe amino groups were introduced to Cr MIL 101 by a post synthetic modification method and then composed with the commercial membrane or another type of polymeric backbone Combining the benefits of metal organic frameworks with a polymer electrolyte effective lyled to the development of a highly ion conductive water retentive and durable electrolytemembrane Electrochemical thermal physical and chemical properties of proposedmembranes were tested analyzed and reported by various characterization methods At thefirst project A proton conducting sulfonated poly ether sulfone metal organic frameworkmembrane with high proton conductivity at high temperature and anhydrous conditions wassynthesized by anchoring the Cr MIL 101 NH2 to the aromatic polymer backbone Theeffect of metal organic frameworks as the pendant porous aminated moieties on membranefeatures was broadly studied The acid retention capacity and the performanve of themembrane at high temperatures and low humidity were improved Moreover thecrosslinking process which produced by metal organic frameworks increased thedimensional stability the swelling ratio was reduced from 57 to 4 oxidative andhydrogen crossover resistance tensile strength and water uptake of the polymer In thesecond one two membranes semi IPN and semi IPN MOF were prepared through usingthe solution casting method The effect of metal organic frameworks was accuratelyinvestigated on the membrane features The results indicated that the enhancement of ionexchange capacity 1 92 mequiv g 1 vs 2 40 mequiv g 1 caused by increased quaternaryfunctional groups resulted in higher water uptake 48 vs 73 In contrast the cross linkednetworks along with the robust metal organic frameworks prevented the membranes fromthe excessive swelling ratio a swelling ratio of 7 Finally the hydroxide ion conductivityof the semi IPN MOF membrane was enhanced 0 07 S cm 1 vs 0 01 S cm 1 at 30 C In thelast work in order to development of a low cost membrane polysulfone was used as apolymer backbone Then the above polymer was chloromethylated with alkylation reactions Then the chloromethylated polysulfone CMPSF was prepared by chloromethyla tio nreactions In the next step the chloromethylated polysulfone was functionalized withimpregnated MOFs Subsequently the effect of impregnated MOFs was investigated as thecrosslinking agent and ion conductor on the MeIm@MOF 10 and MeIm@MOF 20 membranes The ion exchange capacity water uptake and ion conduction of theMeIm@MOF 20 membrane increased by increasing the quaternary ammonium andimidazolium cations in MOF nanochannels Also the cross linking caused by metal orga nicframeworks improved the mechanical properties and prevented excessive swelling of themembrane Finally good stability of MeIm@MOF 20 membranes in the alkaline mediumindicates the promising future of metal organic frameworks in the field of ion conductingfuel cells Key words Ion conducting membrane Metal Organic Framework Fuel cell Crosslinking Porousmaterials
استاد راهنما :
امير عبدالملكي، محمد ديناري
استاد داور :
مهران غياثي، حسين توكل، غلامعلي كوهمره
