Новые протонпроводящие материалы на основе трековой полиэтилентерефталатной мембраны, модифицированной N,P-содержащей ионной жидкостью

В настоящее время одной из актуальных задач является разработка новых мембранных материалов для альтернативных, экологически чистых источников энергии – водородных топливных элементов. В данной статье представлены результаты разработки подходов к созданию протонпроводящих мембран из промышленной полиэтилентерефталатной (ПЭТФ) диэлектрической трековой пленки. В качестве модифицирующего агента использовалась N,P-содержащая ионная жидкость, полимеризация которой осуществлялась непосредственно в трековых отверстиях мембраны ПЭТФ. Основой для синтеза ионной жидкости послужил новый подход к направленному синтезу фосфорорганических соединений из элементного фосфора по реакции Трофимова–Гусаровой, разработанный в Иркутском институте химии им. А.Е. Фаворского СО РАН. Характеризация N,P-содержащей ионной жидкости проведена с помощью ЯМРи ИК-спектроскопии. Показано, что после ее нанесения на ПЭТФ мембрану результирующая композиция обладает необходимыми механическими параметрами для эксплуатации в качестве протонпроводящих мембран. Установлено, что новые протонпроводящие материалы обладают высокой протонной проводимостью, которая составляет при 353 К 77,76 мСм·см-1. Полученные результаты открывают новые перспективы для применения полученных протонпроводящих мембран в технологии водородных топливных элементов и могут способствовать развитию эффективных альтернативных источников энергии.

1. Nieuwlaar E. Life cycle assessment and energy systems, reference module in earth systems and environmental sciences. In: Reference module in Earth systems and environmental sciences. Elsevier, 2013. P. 647–654. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-409548-9.01334-8.

2. Breeze P. The environmental impact of energy storage technologies. In: Power system energy storage technologies. Academic Press, 2018. P. 79–84. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812902-9.00009-2.

3. Letyagina E. On Assessing the impact of automotive transport on the environment of urban agglomerations using the Krasnoyarsk Territory as an example // Transportation Research Procedia. 2023. Vol. 68. P. 505–510. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2023.02.068.

4. Maiti J., Kakati N., Lee S.H., Jee S.H., Viswanathan B., Yoon Y.S. Where do poly(vinyl alcohol) based membranes stand in relation to Nafion® for direct methanol fuel cell applications? // Journal of Power Sources. 2012. Vol. 216. P. 48–66. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.05.057.

5. Dhanapal D., Xiao M., Wang S., Meng Y. A review on sulfonated polymer composite/organic-inorganic hybrid membranes to address methanol barrier issue for methanol fuel cells // Nanomaterials. 2019. Vol. 9, no. 5. P. 668. https://doi.org/10.3390/nano9050668.

6. Oliveira P.N., Catarino M., Müller C.M.O., Brandão L., Tanaka P.D.A., Bertolino J.R., et al. Preparation and characterization of crosslinked PVAL membranes loaded with boehmite nanoparticles for fuel cell applications // Journal of Applied Polymer Science. 2014. Vol. 131, no. 8. P. 40148. https://doi.org/10.1002/app.40148.

7. Beydaghi H., Javanbakht M., Badiei A. Crosslinked poly(vinyl alcohol)/sulfonated nanoporous silica hybrid membranes for proton exchange membrane fuel cell // Journal of Nanostructure in Chemistry. 2014. Vol. 4. P. 97. https://doi.org/10.1007/s40097-014-0097-y.

8. Gahlot S., Sharma P.P., Kulshrestha V., Jha P.K. SGO/SPES-based highly conducting polymer electrolyte membranes for fuel cell application // ACS Applied Materials & Interfaces. 2014. Vol. 6, no. 8. P. 5595−5601. https://doi.org/10.1021/am5000504.

9. Lebedeva O.V., Pozhidaev Y.N., Chesnokova A.N., Malakhova E.A., Raskulova T.V., Kulshrestha V., et al. Sodium p-styrene sulfonate–1-vinylimidazole copolymers for acid–base proton-exchange membranes // Membranes and Membrane Technologies. 2020. Vol. 2, no. 2. P. 76–84. https://doi.org/10.1134/S2517751620020079.

10. Чеснокова А.Н., Жамсаранжапова Т.Д., Закарчевский С.А., Кулшреста В., Скорникова С.А., Макаров С.С. [и др.]. Влияние содержания цеолита на протонную проводимость и технические характеристики мембран на основе сшитого поливинилового спирта // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2020. Т. 10. N 2. С. 360–367. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2020-10-2-360-367.

11. Седых Н.М., Сухов Б.Г., Чеснокова А.Н., Максименко С.Д., Иванов Н.А., Паперный В.Л. [и др.]. Дизайн новых протонпроводящих материалов // Материалы Юбилейной международной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике, посвященной 50-летию первой школы по люминесценции в Иркутске (г. Иркутск, 01–06 июня 2019 г.). Иркутск: ИГУ, 2019. С. 85–86.

12. Hanot H., Ferain E. Industrial applications of ion track technology // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2009. Vol. 267, no. 6. P. 1019– 1022. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2009.02.011.

13. Курахмедов А.Е., Иванов И.А., Александрен ко В.В., Козловский А.Л., Архангельски Е., Здоровец М.В. Асимметричные трековые мембраны, получаемые методом двустороннего облучения на циклотроне ДЦ-60 // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7. N 3. С. 155–164. https://doi.org/10.1134/S2218117217030051.

14. Manickam S.S., McCutcheon J.R. Model thin film composite membranes for forward osmosis: demonstrating the inaccuracy of existing structural parameter models // Journal of Membrane Science. 2015. Vol. 483. P. 70–74. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.01.017.

15. Waheed A., Forsyth D., Watts A., Saad A.F., Mitchell G.R., Farmer M., et al. The track nanotechnology // Radiation Measurements. 2009. Vol. 44, no. 9-10. P. 1109–1113. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2009.10.055.

16. Chakarvarti S.K. Track-etch membranes enabled nano-/microtechnology: a review // Radiation Measurements. 2009. Vol. 44, no. 9-10. P. 1085–1092. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2009.10.028.

17. Трофимов Б.А., Рахматулина Т.Н., Гусарова Н.К., Малышева С.Ф. Системы элементный фосфор–сильные основания в синтезе фосфорорганических соединений // Успехи химии. 1991. Т. 60. N 12. C. 2619–2632.

18. Гусарова Н.К., Михалева А.И., Шмидт Е.Ю., Малькина А.Г. Химия ацетилена: новые главы. Новосибирск: Наука, 2013. 368 с.

19. Малышева С.Ф., Белогорлова Н.А., Куимов В.А., Литвинцев Ю.И., Гоголева Н.М., Сухов Б.Г. [и др.]. Синтез новых протонпроводящих ионных жидкостей из 1-Hи 1-алкилимидазолов и гипофосфористой кислоты // Бутлеровские сообщения. 2017. Т. 52. N 10. С. 50–55.

20. Литвинцев Ю.И., Белогорлова Н.А., Малышева С.Ф. Новый подход к N,P-содержащим ионным жидкостям // Современные проблемы химической науки и фармации: сб. материалов VI Всероссийской конференции с международным участием (г. Чебоксары, 23–24 ноября 2017 г.). Чебоксары: ЧГУ им. И.Н. Ульянова, 2017. С. 66.

21. Hawker C., Schlüter D.A., Sakamoto J. Synthesis of polymers: new structures and methods. Wiley-VCH, 2012. 1184 p.

22. Шагидуллин Р.Р., Чернова А.В., Виноградова В.С., Мухаметов Ф.С. Атлас ИК-спектров фосфорорганических соединений. М.: Наука, 1990. 343 c.