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Jun 10, 2023

설폰화 폴리(1, 4) 기반 나노복합체 막의 향상된 성능

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8238(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 많은 관심을 받고 있으며 MOF(금속-유기 프레임워크)/고분자 나노복합체 막을 사용합니다. SPEES로 만들어진 새로운 나노복합체 막의 양성자 전도도를 조사하기 위해 Zeolite imidazole Framework-90(ZIF-90)을 Sulfonated Poly(1,4-phenylene ether-ether-sulfone)(SPEES) 매트릭스에 첨가물로 사용했습니다. /ZIF. ZIF-90 나노 구조의 높은 다공성, 자유 표면 및 알데히드 그룹의 존재는 SPEES/ZIF-90 나노복합체 막의 기계적, 화학적, 열적 및 양성자 전도성 기능을 향상시키는 데 상당한 영향을 미칩니다. 결과는 3wt% ZIF-90을 포함하는 SPEES/ZIF-90 나노복합막을 활용하면 90°C 및 98% 상대 습도(RH)에서 최대 160mS/cm의 향상된 양성자 전도도를 나타냄을 나타냅니다. 이는 동일한 조건에서 55mS/cm의 양성자 전도도를 보인 SPEES 멤브레인과 비교하면 상당한 개선으로 성능이 1.9배 증가한 것으로 나타났다. 또한 SPEES/ZIF-90/3 멤브레인은 최대 전력 밀도가 79% 향상되어 0.5V 및 98% RH에서 0.52W/cm2의 값을 달성했습니다. 이는 원래 SPEES 멤브레인보다 79% 더 높은 수치입니다. .

화석 연료의 광범위한 사용이 환경, 특히 기후 변화와 관련하여 환경에 미치는 부정적인 영향으로 인해 실현 가능하고 지속 가능한 대안을 식별하고 구현하려는 상당한 노력이 이루어졌습니다. 이에 따라 수소를 비롯한 친환경 재생에너지원의 발굴과 활용에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 수소연료를 활용하는 에너지생산시스템 중 하나가 연료전지이다1. 연구자들은 다양한 연료전지 중 친환경에너지 기술로 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)라는 독특한 특성과 장점으로 인해 관심을 가져왔습니다. 이러한 장점에는 높은 시동 속도, 효율, 전류 밀도, 낮은 작동 온도 및 무배출 작동2이 포함됩니다. 실제로 PEMFC의 가장 중요한 부분 중 하나는 양성자 교환막으로 연료전지의 성능 여부를 직접적으로 결정한다. 따라서 PEMFC에 적용하기에 적합한 멤브레인을 준비하고 상용화 과정을 가속화하는 것이 많은 연구자들의 주요 목표 중 하나였습니다. 설폰화 폴리(에테르 에테르 케톤)4, 설폰화 폴리(프탈라지논 에테르 케톤)5,6, 폴리 비닐 알코올7 및 설폰화 폴리에테르설폰8,9,10과 같은 다수의 비불소화 폴리머가 최근 대안으로 조사되었습니다. 상업용 Nafion에. 3차원 결정 구조를 갖는 유기 리간드에 부착된 금속 클러스터로 구성된 금속-유기 골격(MOF)으로 알려진 새로운 배위 폴리머 계열이 확인되었습니다. MOF는 저장, 분리 및 촉매작용과 같은 다양한 응용 분야를 가지고 있으며 의학에서 생물학적 담체로도 사용됩니다12,13,14,15. 다양한 응용 분야 중에서 다수의 MOF가 양성자 및 이온 전도에 대한 좋은 잠재력을 보여주었습니다. MOF는 매우 유연한 디자인, 자유 표면 및 높은 다공성으로 인해 높은 양성자 전도성을 갖습니다. ZIF는 MOF의 큰 계열에 속하며 2가 금속 이온(종종 Zn2+)을 4개의 이미다졸 음이온 링커에 연결하여 만들어집니다. 이는 매우 높은 표면적, 우수한 열적 및 화학적 안정성, 유연하고 제어 가능한 구조와 같은 특성을 가지고 있습니다20,21. Zhang 그룹에 따르면 이미다졸 고리의 존재는 양성자 전도성을 증가시켰습니다.

따라서 MOF와 폴리머의 조합인 나노복합체 멤브레인은 PEMFC11의 밝은 전망 중 하나입니다. 왜냐하면 폴리머에 통합된 MOF의 우수한 특성으로 인해 새로운 나노복합체 멤브레인이 생산되기 때문입니다. ZIF-823,24,25,26, UIO-6627,28, HKUST-129, CPO-27-Mg30, MIL-53-Al30, MIL 등 고분자와 다양한 MOF를 결합한 새로운 나노복합막 생산에 대한 다수의 보고 -101(Cr)31,32 및 MOF-80833이 수행되었습니다.