Вплив наночастинок SiO2 на характеристики протонообмінної композитної мембрани на основі полівінілового спирту
Анотація
У цій статті представлено дослідження нанокомпозитних мембран на основі зшитого полівінілового спирту з наночастинками кремнезему, виготовлених методом лиття з розчину, для застосування в ванадієвих окисно-відновних батареях (VRFB). Структуру мембран вивчали методом інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур’є (FT-IR). Було виявлено, що наночастинки були успішно інтегровані в матрицю протонообмінної мембрани для підвищення її продуктивності. Синтез наночастинок кремнезему золь-гель методом in situ в розчині полімеру показав кращу продуктивність порівняно з додаванням готових наночастинок. Були досліджені такі властивості мембрани, як механічні властивості, водопоглинання, іонообмінний матеріал (IEM), протонна провідність і проникність для іонів ванадію. Нанокомпозитні мембрани продемонстрували вищі водопоглинання, IEM і нижчу проникність для іонів ванадію порівняно з мембраною Nafion117. Результати випробувань однокомпонентного VRFB з нанокомпозитними мембранами показали вищий кулонівський вихід (CE) і ефективність (EE) до 81,51% порівняно з Nafion117. Швидкість саморозряду VRFB з нанокомпозитними мембранами була нижчою, ніж у Nafion117. Після 50 циклів тестування нанокомпозитна мембрана показала стабільну роботу акумулятора. Результати показують, що нанокомпозитні мембрани є перспективним і доступним альтернативним матеріалом для Nafion117 у VRFB.
Завантаження
Посилання
M.A. Hickner, H. Ghassemi, Y.S. Kim, B.R. Einsla, and J.E. McGrath, “Alternative polymer systems for proton exchange membranes (PEMs),” Chem. Rev. 104, 4587-4611 (2004). https://doi.org/10.1021/cr020711a
C.H. Lin, M.C. Yang, and H.J. Wei, “Amino-silica modified Nafion membrane for vanadium redox flow battery,” Journal of Power Sources, 282, pp.562–571 (2015). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.02.102
M.-S. Kang, Y.-J. Choi, I.-J. Choi, T.-H. Yoon, and S.-H. Moon, “Electrochemical characterization of sulfonated poly(arylene ether sulfone) (S-PES) cation-exchange membranes,” J. Membr. Sci. 216, 39–53 (2003). https://doi.org/10.1016/S0376-7388(03)00045-0
X. Zhang, Q. Liu, L. Xia, D. Huang, X. Fu, R. Zhang, S. Hu, et al., “Poly (2, 5-benzimidazole)/sulfonated sepiolite composite membranes with low phosphoric acid doping levels for PEMFC applications in a wide temperature range,” Journal of membrane science, 574, 282-298 (2019). https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.12.085
R.K. Nagarale, G.S. Gohil, and V.K. Shahi, “Recent developments on ion-exchange membranes and electro-membrane processes,” Adv. Colloid Interface Sci. 119, 97–130 (2006). https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.09.005
M.K. Pagels, S. Adhikari, R.C. Walgama, A. Singh, J. Han, D. Shin, and C. Bae, “One-Pot Synthesis of Proton Exchange Membranes from Anion Exchange Membrane Precursors,” ACS Macro Lett. 9, 1489–1493 (2020). https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.0c00550
P.K. Prajapati, N.N. Reddy, R. Nimiwal, P.S. Singh, S. Adimurthy, and R.K. Nagarale, “Polyaniline@porous polypropylene for efficient separation of acid by diffusion dialysis,” Sep. Purif. Technol. 233, 115989 (2020). https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.115989
G.M. Aparicio, R.A. Vargas, and P.R. Bueno, “Protonic conductivity and thermal properties of cross-linked PVA/TiO2 nanocomposite polymer membranes,” J. Non Cryst. Solids, 522, 119520 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2019.119520
Y. Jin, J.C. Diniz da Costa, and G.Q. Lu, “Proton conductive composite membrane of phosphisilicate and polyvinyl alcohol,” Solid State Ion. 178, 937–942 (2007). https://doi.org/10.1016/j.ssi.2007.04.005
V.M. Rotshteyn, T.K. Turdaliev, and Kh.B. Ashurov, “On the Question of the Possibility of Using Nanocrystalline Porous Silicon in Silicon-Based Solar Cells,” Applied Solar Energy, 57(6), 480–485 (2021). https://doi.org/10.3103/S0003701X21060153
T. Kamjornsupamitr, T. Sangthumchai, S. Youngme, and S. Martwiset, “Proton conducting composite membranes from crosslinked poly(vinyl alcohol) and poly(styrene sulfonic acid)-functionalized silica nanoparticles,” Int. J. Hydrogen Energy, 43, 11190–11201 (2018). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.04.198
U. Berdiev, I. Khudaykulov, Sh. Iskandarov, and T. Turdaliev, “Mechanical properties of a proton exchange composite membrane synthesized on the basis of polyvinyl alcohol,” Uzbek Physical Journal, 25(4), 72-76 (2024). https://doi.org/10.52304/.v25i4.479 (in Russian)
Y. Zhang, M. Guo, H. Yan, G. Pan, J. Xu, Y. Shi, and Y. Liu, “Novel organic–inorganic hybrid composite membranes for nanofiltration of acid and alkaline media,” RSC Adv. 4, 57522 (2014). https://doi.org/10.1039/C4RA09090J
Y. Wang, D. Wang, J. Wang, and L. Wang, “Preparation and characterization of a sol-gel derived silica/PVA-Py hybrid anion exchange membranes for alkaline fuel cell application,” J. Electroanal. Chem. 873, 114342 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2020.114342
J.M. Dodda, P. Belský, J. Chmelar, T. Remis, K. Cmolna, M. Tomáš, L. Kullova, et al., “Comparative study of PVA/SiO2 and PVA/SiO2/glutaraldehyde (GA) nanocomposite membranes prepared by single-step solution casting method.” J. Mater. Sci. 50, 6477–6490 (2015). https://doi.org/10.1007/s10853-015-9206-7
E. Sgreccia, et al., “Silica containing composite anion exchange membranes by sol–gel synthesis: A short review,” Polymers, 13(11), 1874 (2021). https://doi.org/10.3390/polym13111874
H. Beydaghi, M. Javanbakht, and A. Badiei, “Cross-linked poly(vinyl alcohol)/sulfonated nanoporous silica hybrid membranes for proton exchange membrane fuel cell,” J. Nanostruct. Chem. 4, 97 (2014). https://doi.org/10.1007/s40097-014-0097-y
S.N. Hegde, B.B. Manuvalli, and M.Y. Kariduraganavar, “A Unique Approach for the Development of Hybrid Membranes by Incorporating Functionalized Nanosilica into Crosslinked sPVA/TEOS for Fuel Cell Applicationsm” ACS Appl. Energy Mater. 5, 9823–9829 (2022). https://doi.org/10.1021/acsaem.2c01525
C. Panawong, S. Tasari, P. Saejueng, and S. Budsombat, “Composite proton conducting membranes from crosslinked poly(vinyl alcohol)/chitosan and silica particles containing poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propansulfonic acid),” J. Appl. Polym. Sci. 139, 51989 (2022). https://doi.org/10.1002/app.51989
M. Kurbanov, S. Tulaganov, U. Nuraliev, L. Andriyko, O. Goncharuk, N. Guzenko, Y. Nychyporuk, et al., “Comparative characteristics of the structure and physicochemical properties of silica synthesized by pyrogenic and fluoride methods,” Silicon, 15(3), 1221-1233 (2023). https://doi.org/10.1007/s12633-022-02087-7
G.J. Hwang, and H. Ohya, “Preparation of cation exchange membrane as a separatorfor the all-vanadium redox flow battery, J. Membrane Sci. 120, 55(1996). https://doi.org/10.1016/0376-7388(96)00135-4
V.V. Binsu, R.K. Nagarale, V.K. Shahi, and P.K. Ghosh, “Studies on N-methylene phosphonic chitosan/poly(vinyl alcohol) composite proton-exchange membrane,” React. Funct. Polym. 66, 1619–1629 (2006). https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2006.06.003
R.K. Nagarale, G.S. Gohil, V.K. Shahi, and R. Rangarajan, “Preparation of organic–inorganic composite anion-exchange membranes via aqueous dispersion polymerization and their characterization,” J. Colloid Interface Sci. 287, 198–206 (2005). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.01.074
D.S. Kim, H.B. Park, J.W. Rhim, and Y.M. Lee, “Preparation and characterization of crosslinked PVA/SiO2 hybrid membranes containing sulfonic acid groups for direct methanol fuel cell applications,” J. Memb. Sci. 240, 37-48 (2004). https://doi.org/10.1016/j.memsci.2004.04.010
Авторське право (c) 2025 У.Ф. Бердієв, І.Х. Худайкулов, Ш.Ч. Іскандаров, А.Й. Амірова, Х.Б. Ашуров
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
