Skip to main content
SUPERVISOR
Kiamars Eskandari,Amir Abdolmaleki
کیامرث اسکندری (استاد مشاور) امیر عبد الملکی (استاد راهنما)
 
STUDENT
MohammadReza Molavianjazi
محمدرضا مولویان جزی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Synthesis and charachterization of polymeric proton exchange membranes based on poly(ether sulfone)s for use in fuel cell application and theoritical studies of effective parameters on membrane performance
This thesis covers two area of data containg theoretical studies and experimental data. Theoretical studies contain three projects that explore effects of types of proton donor groups, polymer main chain functional groups and degradation mechanism of membranes in presence of radical species. At the first project, proton transfer in sulfonated and phosphonated poly(oxadiazole)s was invesitaget also synergetic effect of other protogenic groups with sulfonate and phosphonte groups was studied compeletly. In the second project, the effect of functional groups in polymer backone on proton transfer was investigated and it was found that some heteroaromitcs such as poly(benzimidazole) and poly(oxadiazol) and also polyimide could facilitate proton transfer in low humidity conditions. In the thired theortitical project, degredation mechanisms of sulfonated poly(polybenzimidazole) in presence H and OH radiclals was studied completely and suggested different deratation mechanisms. In the second part of thesis which cover experimental results, three projects were done. In the first experimental project, a new diol was synthesized and consequently a new poly(ether sulfone) was prepared. A new sulfonated polymer hybride was prepared from synthesized poly(ether sulfone) and commercial poly(ether sulfone) Udel and used as proton exchange membrane in low hymidity condition. Second experimental project focused on synthesis of membranes based on semi-I to improve mechanical properties of membranes in fully hydrated conditions. Also, the prepared membranes show very good chmical stability in fenton’s reagent. In the thired project, natural wasts was used to prepare ion exchange membrane. Ostrich eggsell membranes were modified by two different methods. The modified membranes were employed as both anion and proton exchange membranes and show good performance. Regarding network structre of membranes, there was a concern about fuel crossover in membranes but the modified membranes shows very low fuel crossover.
مطالب ارائه‌شده در این رساله از دو بخش نظری و تجربی تشکیل شده است. در بخش اول که محاسبات مکانیک کوانتمی را شامل می‌شود در غالب سه پروژه به عوامل تأثیرگذار بر عملکرد غشا ازجمله نوع گروه‌های پروتون دهنده، گروه‌های عاملی زنجیره اصلی پلیمری و مکانیسم‌های تخریب ساختار، پرداخته شده است. در پروژه اول عملکرد گروه‌های سولفونه و فسفونه در غشاهای تبادل کننده پروتون موردبررسی قرار گرفته و همچنین اثر هم‌افزایی سایر گروه‌ها با این گروه‌ها به‌صورت کامل موردمطالعه قرار گرفته است. همان‌طور که در این پروژه مشاهده شد، گروه سولفونه انتقال پروتون را در حضور تعداد کمتری آب نشان داد. همچنین اثر هم‌افزایی نشان داد استفاده هم‌زمان گروه فسفونه و سولفونه عملکرد فوق‌العاده‌ای به غشا القا می‌کند. در پروژه دوم اثر گروه‌های عاملی زنجیره اصلی پلیمر بر انتقال پروتون بررسی شده و مشخص شد برخی پلیمرها ازجمله پلی(بنزایمیدازول)ها، پلی(اکسادیازول)ها و پلی‌ایمیدها می‌توانند در شرایط رطوبت کم انتقال پروتون را تسهیل کنند. از بین پلیمرهای موردبررسی پلی(بنزایمیدازول) پارا عملکرد خوبی را نشان داد و در حضور دو مولکول آب تفکیک پروتون را به‌صورت کامل انجام داد. در پروژه سوم محاسباتی، مکانیسم‌های تخریب غشا در حضور رادیکال‌های تولیدشده در پیل سوختی موردبررسی قرار گرفت و مکانیسم‌های مختلفی در این خصوص پیشنهاد شده است. نتایج این مطالعه نشان داد زمانی که گروه SO 3 H به‌صورت مستقیم به نیتروژن ایمیدازولی متصل است پایداری کمتری نسبت زمانی که SO 3 H با زنجیره چهارکربنی به ایمیدازول متصل است دارد. در بخش دوم رساله که پروژه‌های تجربی را شامل می‌شود، به بررسی غشاهای تبادل کننده پروتون پرداخته شده است. در پروژه اول تجربی یک دی‌ال جدید سنتز شده و در ادامه پلی اتر مربوطه سنتز شده است. پلیمر سنتز شده با پلیمر تجاری یودل هیبریدشده و هیبرید سولفونه شده جهت استفاده در پیل سوختی در دمای بالا مورداستفاده قرار گرفت. اندازه‌گیری هدایت پروتونی برای این غشا در دمای 120 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 30 درصد به (mS.cm -1 ) 7 رسید که در مقایسه با نفیون در شرایط مشابه عملکرد بهتری را نشان داد. در پروژه دوم یک شبکه نیمه درهم‌تنیده بر پایه یودل با هدف ساخت غشا با مقاومت مکانیکی بالا ساخته شد. غشا ساخته‌شده در این پروژه خواص مکانیکی بسیار خوبی را در حالت آبپوشی نشان می‌دهد. مقاومت کششی برای این غشاها حدود 16 تا MPa 18 به دست آمد که پایداری بسیار خوبی است. همچنین غشا ساخته‌شده پایداری شیمیایی بسیار خوبی نشان داده و مقاومت خوبی در مقابل رادیکال‌های آزاد نشان می‌دهد و کاهش وزن در محلول فنتون کمتر از 10 درصد بددست آمد. در پروژه سوم تجربی تلاش شد تا از ضایعات طبیعی برای استفاده در غشا پیل سوختی استفاده شود. در این پروژه از غشا پوست تخم شترمرغ استفاده شد و ساختار آن به دو صورت اصلاح شد. غشاهای اصلاح‌شده به‌عنوان غشاهای تبادل کننده پروتون و تبادل کننده آنیون مورداستفاده قرار گرفته و نتایج بسیار خوبی را نشان داده‌اند. هدایت پروتونی و آنیونی به ترتیب حدود (mS.cm -1 ) 48 و (mS.cm -1 ) 40 به دست آمد. با توجه به ساختار شبکه‌ای این غشا، نگرانی عبور سوخت در این غشاها وجود داشت اما غشاهای اصلاح‌شده انتقال سوخت بسیار کمی را از خود نشان می‌دهند. مقادیر عبور متانول برای غشا تبادل کننده پروتون بسیار کمتر (حدود 50 برابر) از عبور متانول برای نفیون به دست آمد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی