Synthesis and characterization of new polymer electrolytes to use in fuel cells fed with bio-alcohols

Abstract

Poly(vinyl alcohol) (PVA)-based membranes have gathered significant interest because of their film forming ability and low cost. These films are usually crosslinked to provide a macromolecular network with high dimensional stability. PVA can be modified by introduction of sulfonic acid groups (sPVA) contributing to increase its proton conductivity. In addition, the preparation of hybrid organic-inorganic composite membranes by the addition of graphene oxide (GO) as nano-filler not only reinforces the matrix but also decreases the permeability of solvents. All this has motivated the use of these materials for the preparation of proton exchange membranes (PEMs) for direct methanol fuel cell (DMFC) applications. Contribution I presents the chemical schemes followed for the bi-sulfonation of the PVA, the synthesis of GO and the preparation of PVA/GO and sPVA/GO composite membranes. In addition, a structural, morphological, thermal, and mechanical characterization of the starting materials and the composite membranes were performed. Finally, in order to evaluate the suitability of the prepared PEMs in fuel cells, the prot cond. was evaluated at room temperature. The results showed that the addition of GO (1 wt.%) into the sPVA matrix, 30sPVA/GO membrane, enhance by 89% the prot cond. compared to its homologue membrane, 30sPVA, free-standing of GO. In Contribution II, the proton conductive properties of the previously prepared membranes were investigated as a function of the structural (bi-sulfonation) and morphological (crosslinking and addition of GO) modifications. The bi-sulfonated membrane reinforced with GO, 30sPVA/GO, stands out over the rest. The addition of GO improves considerably its prot cond. (20.96 mS/cm at 90 °C) and its maximum power density (Pmax) in the H2-O2 fuel cell test (13.9 mW/cm2 at 25 ºC). In Contribution III was studied the effect of a new variable, the sufonation of the GO (sGO), on the functional properties of the composites PVA/sGO and sPVA/sGO for DMFC applications. In addition, the results were compared to that obtained for the previously described PVA/GO and sPVA/GO composites. The results conclude that, contrary to expectations, the multiple sulfonation of the 30sPVA/sGO composite strongly reduces the prot cond. (5.22 mS/cm at 50 °C) compared to its homologue 30sPVA/GO (8.42 mS/cm at 50 °C), despite its higher values of ion exchange capacity (IEC). Finally, the 30PVA/sGO composite (1.85 mW/cm2) shows a significant improvement of the DMFC performance (50 °C, 4M methanol solution) compared to the 30sPVA/GO composite (1.00 mW/cm2). The Layer-by-Layer (LbL) assembly method was used in Contribution IV for the preparation of composite membranes assembled via hydrogen bonding interactions. To do this, GO/PVA and GO/sPVA bilayers were deposited on the surface of 15PVA and 15sPVA substrate membranes, respectively. The composites were denoted as 15PVA(GO/PVA)n and 15sPVA(GO/sPVA)n where n is the number of deposited bilayers, in our case n ranges between 1 and 3. Finally, the potential of the composite membranes for DMFC applications were evaluated, showing the best performance the 15sPVA(GO/sPVA)1 composite. Finally, the Contribution V was focused on the preparation of composite membranes by LbL Assembly method, but in this case the assembly forces were electrostatic interactions. The GO was dispersed in a poly(allyl amine hydrochloride) solution (GO-PAH) in order to obtain a positively charged solution. The composites were assembled by alternate deposition of GO-PAH and sPVA layers on the surface of 15PVA and 15sPVA substrates, obtaining as a result the composites 15PVA(GO-PAH/sPVA)n and 15sPVA(GO-PAH/sPVA)n. The best value of prot cond. (8.26 mS/cm at 90 °C) was obtained for the 15PVA(GO-PAH/sPVA)1 composite, almost twice that the value obtained for its homologue sulfonated composite 15sPVA(GO-PAH/sPVA)1 (4.96 mS/cm a 90 °C).

Membranas constituidas básicamente por alcohol polivinílico (PVA) han despertado un gran interés debido a su bajo coste y su fácil procesado para conformarlas en forma de films. Estos films frecuentemente son sometidos a entrecruzamiento para disponer de una red macromolecular con una elevada estabilidad dimensional. La modificación del PVA por introducción de grupos sulfónicos (sPVA) cambia la estructura del polímero contribuyendo a aumentar su conductividad protónica. Además, la preparación de membranas híbridas orgánico-inorgánicas (composites) mediante la adición de óxido de grafeno (GO) refuerza la matriz, a la vez que disminuye su permeabilidad frente a disolventes. Todo ello ha motivado el uso de estos materiales para la preparación de membranas de intercambio protónico (PEMs) empleadas en pilas de combustible de metanol (DMFCs). En la Contribución I se presentan los esquemas químicos conducentes a la bi-sulfonación del PVA, la síntesis del GO y la preparación de las membranas composite PVA/GO y sPVA/GO. Además, se realizó la caracterización estructural, morfológica, térmica y mecánica de cada uno de los materiales de partida y de los composite. Finalmente, con el fin de evaluar su idoneidad como PEMs en pilas de combustible, se evaluó su cond. prot a temperatura ambiente. Los resultados obtenidos mostraron que la adición de GO (1 wt.%) como nano-carga a la matriz de sPVA genera un composite, 30sPVA/GO, cuya cond. prot supera en un 89 % a la de su membrana homóloga sin carga, 30sPVA. La Contribución II trata de explorar las propiedades conductoras de las membranas preparadas previamente en función de la modificación estructural (bi-sulfonación) y la morfológica (reticulación y adición de GO). La membrana bi-sulfonada y reforzada con GO, 30sPVA/GO, destaca sobre el resto. La adición de GO mejora considerablemente tanto la cond. prot (20.96 mS/cm a 90 ºC) como la densidad de potencia máxima (Pmax) en pila de combustible de hidrógeno (13.9 mW/cm2 a temperatura ambiente). En la Contribución III se estudió el efecto de una nueva variable, la sulfonación del GO (sGO), sobre las propiedades funcionales de los composites PVA/sGO y sPVA/sGO en aplicaciones de DMFC. Además, se llevó a cabo un estudio comparativo con los composite PVA/GO y sPVA/GO previamente descritos. Los resultados concluyeron que, en contra a lo esperado, la múltiple sulfonación de la membrana 30sPVA/sGO reduce fuertemente su cond. prot (5.22 mS/cm a 50 ºC) en comparación con su homóloga 30sPVA/GO (8.42 mS/cm a 50 ºC), aun mostrando valores superiores de IEC. Finalmente, el rendimiento de la composite 30PVA/sGO (1.85 mW/cm2) en una DMFC (50 ºC, disolución de metanol 4M) mostró una mejora significativa en comparación con la composite 30sPVA/GO (1.00 mW/cm2). El método de LbL assembly se empleó en la Contribución IV para la preparación de composites ensamblados mediante enlaces por puente de hidrógeno. Para ello, se llevó a cabo la deposición de bicapas de GO/PVA y GO/sPVA sobre los substratos 15PVA y 15sPVA, respectivamente. Los composites se codificaron como 15PVA(GO/PVA)n y 15sPVA(GO/sPVA)n siendo n el número de bicapas depositadas, en nuestro caso n varía entre 1 y 3. Por último, se evaluó su potencial para aplicaciones en DMFC, presentando el mejor comportamiento el composite 15sPVA(GO/sPVA)1. Finalmente, la Contribución V va dedicada a la fabricación de composites mediante el método de LbL Assembly, pero en este caso a través de interacciones electrostáticas. El GO se dispersó en una disolución de hidrocloruro de polialilamina (GO-PAH), con el fin de dotarlo de carga positiva. El ensamblaje se realizó por deposición alterna de capas de GO-PAH y sPVA, obteniéndose los composites 15PVA(GO-PAH/sPVA)n y 15sPVA(GO-PAH/sPVA)n. El mejor valor de cond. prot (8.26 mS/cm a 90 ºC) se obtuvo para el composite 15PVA(GO-PAH/sPVA)1, siendo casi el doble que el obtenido para su homólogo s

Membranes constituïdes a base PVA han despertat un gran interès a causa del seu baix cost i el seu fàcil processament per conformar-les en forma de films. Aquests films freqüentment són sotmesos a entrecreuament per disposar d'una xarxa macromolecular amb una elevada estabilitat dimensional. La modificació del PVA per introducció de grups sulfònics (sPVA) canvia l'estructura del polímer contribuint a augmentar la seua conductivitat protònica. A més, la preparació de membranes híbrides orgànic-inorgànics (composites) mitjançant addició d'òxid de grafè (GO) reforça la matriu, alhora que disminueix la seua permeabilitat enfront de dissolvents. Tot això ha motivat l'ús d'aquestos materials per a la preparació de membranes d'intercanvi protònic (PEMs) emprades en piles de combustible de metanol (DMFCs). En la Contribució I es presenten els esquemes químics conduents a la bi-sulfonació del PVA, la síntesi del GO i la preparació de les membranes composite PVA/GO i sPVA/GO. A més, es va realitzar la caracterització estructural, morfològica, tèrmica i mecànica de cada un dels materials de partida i de les membranes composite. Finalment, per tal d'avaluar la seua idoneïtat com a PEMs en piles de combustible, es va mesurar la seua cond. prot a temperatura ambient. Els resultats obtinguts van mostrar que l¿addició de GO (1 wt.%) com a nano-càrrega en la matriu de sPVA genera un composite, 30sPVA/GO, amb una cond. prot que supera en un 89% a la de la seua membrana homòloga sense càrrega, 30sPVA. La Contribució II tracta d'explorar les propietats conductores de les membranes composite preparades prèviament en funció de la modificació estructural (bi-sulfonació) i morfològica (reticulació i addició de GO). La membrana bi-sulfonada i reforçada amb GO, 30sPVA/GO, destaca sobre la resta. L'addició de GO millora considerablement tant la cond. prot (20.96 mS/cm a 90 ºC) com la densitat de potència màxima (Pmax) a la pila de combustible d'hidrogen (13.9 mW/cm2 a temperatura ambient). En la Contribució III es va estudiar l'efecte d'una nova variable, la sulfonació del GO (sGO), sobre les propietats funcionals dels composites PVA/sGO i sPVA/sGO per aplicacions en DMFC. A més, es va dur a terme un estudi comparatiu amb els composites PVA/GO i sPVA/GO prèviament descrits. Els resultats van concloure que en contra del que s'esperava, la múltiple sulfonació de la membrana 30sPVA/sGO redueix fortament la seua cond. prot (5.22 mS/cm a 50 ºC) en comparació amb la seua homòloga 30sPVA/GO (8.42 mS/cm a 50 ºC), tot i que mostra valors superiors de IEC. Finalment, el rendiment de la membrana 30PVA/sGO (1.85 mW/cm2) en una DMFC (50 ºC, dissolució de metanol 4M) va mostrar una millora significativa en comparació amb la membrana 30sPVA/GO (1.00 mW/cm2). El mètode de LBL assembly es va emprar en la Contribució IV per a la preparació de composites acoblats mitjançant enllaços per pont d'hidrogen. Amb aquest fi, es va dur a terme la deposició de bicapes de GO/PVA i GO/sPVA sobre els substrats 15PVA i 15sPVA, respectivament. Els composites es van codificar com a 15PVA(GO/PVA)n i 15sPVA(GO/sPVA)n on n és el nombre de bicapes dipositades, en el nostre cas n varia entre 1 i 3. Finalment, es va avaluar el seu potencial per a aplicacions en DMFC, presentant el millor comportament el composite 15sPVA(GO/sPVA)1. Finalment, la Contribució V va dedicada a la fabricació de composites mitjançant el mètode de LBL Assembly, però en aquest cas acoblats a través d'interaccions electrostàtiques. El GO es va dispersar en una dissolució de hidroclorur de polialilamina (GO-PAH), per tal de dotar-lo de càrrega positiva. L'acoblament es va realitzar per deposició alterna de capes de GO-PAH i sPVA, obtenint-se els composites 15PVA(GO-PAH/sPVA)n i 15sPVA(GO-PAH/sPVA)n. El millor valor de cond. prot (8.26 mS/cm a 90 ºC) es va obtenir per al composite 15PVA(GO-PAH/sPVA)1, sent gairebé el doble que l'obtingut