New proton-exchange membranes based on a mixture of poly-1-vinyl-1,2,4-triazole, phenol disulfonic acid, and 3-pyridine sulfonic acid functionalized with nanoadditives of sulfonated graphene oxide and sulfonated boron nitride have been obtained and studied. The introduction of nanoadditives into the membrane structure leads to an increase in ionic conductivity
proton exchange membrane, poly-1-vinyl-1,2,4-triazole, sulfonated graphene oxide, sulfonated boron nitride
Новым направлением в формировании протонпроводящих мембран является получение на их основе гибридных композитов, содержащих фуллерены, нанотрубки, нановолокна, наночастицы нитрида бора [1]. Добавка малых количеств углеродных наночастиц в полимерные матрицы приводит к значительным изменениям в поведении и свойствах получаемых композитных материалов. В рамках данной работы получены протонпроводящие мембраны на основе смеси поли-1-винил-1,2,4-триазола (ПВТ), фенолдисульфокислоты (ФДСК), 3-пиридинсульфокислоты (ПСК), функционализированные добавками сульфированного оксида графена (ОГС) и сульфированного нитрида бора (НБС).
Строение мембран подтверждали данными ИК спектроскопии. ИК спектры регистрировали на спектрофотометре «Varian 3100 FT-IR». Удельную электропроводность мембран определяли методом импедансной спектроскопии в интервале температур 30-80 °С при относительной влажности 75 % на приборе Z-3000 (ООО «Элинс»). Измерения проводили в частотном диапазоне 500 – 5 кГц.
В ИК-спектрах мембран имеются полосы поглощения, характерные для органической части композита (соответствующие валентным и деформационным колебаниям триазольного кольца, сульфонатных и ароматических фрагментов). Также появляются дополнительные полосы поглощения, в области 2370 см–1, соответствующие гидратированной форме сульфоновой кислоты в ОГС. Для мембран, содержащих НБС, в ИК спектрах имеются характерные широкие полосы поглощения в областях 390, 815 см–1, соответствующие колебаниям связей В–N в звеньях НБС.
Значения удельной электропроводности, водопоглощения и энергии активации функционализированных мембран приведены в таблице.
Таблица 1
Водопоглощение (WU), энергия активации переноса протонов и удельная
электропроводность (s) мембран ПВТ–ФДСК–ОГС (НБС)
|
Мембрана |
n : m* |
WU (80 °С), (%) |
Энергия активации, кДж/моль |
s, мСм/см |
|
ПВТ–ФДСК (10:90) ПВТ–ФДСК–ОГС ПВТ–ФДСК–НБС |
2:1 |
200 86 55 |
19,50 10,52 12,35 |
59,80 321,3 150,5 |
|
ПВТ–ПСК (20:80) ПВТ–ПСК–ОГС ПВТ–ПСК–НБС |
2:1 |
160 60 78 |
16,50 11,50 11,95 |
0,495 62,40 34,80 |
* – массовое соотношение органической части (n) и неорганического компонента (m) в составе мембран
Анализ данных таблицы 1 показывает, что введение в структуру мембраны ОГС и НБС позволяет дополнительно увеличить их ионную проводимость. При этом введение сульфированного оксида графена обеспечивает достижение максимальной проводимости вплоть до 321 мСм/см.
1. Pokropivnyy, V. V. Novye nanoformy ugleroda i nitrida bora / V. V. Pokropivnyy, A. L. Ivanovskiy // Uspehi himii. – 2008. – T. 77. – № 10. – S. 899-937.
