Nuovo poli(alcol vinilico) solfonato/carbossimetilcellulosa/acrilammide

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22017 (2022) Citare questo articolo

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Nuove membrane ibride polielettrolitiche vengono preparate miscelando carbossimetilcellulosa (CMC)-alcol polivinilico (PVA)-acrilammide (AA). L'acido succinico e l'acido clorosolfonico (CSA) vengono impiegati rispettivamente come reticolanti e modificanti. Inoltre, nanotubi di carbonio carbossilato (CCNT) e carbone attivo solfonato (SAC) vengono utilizzati come riempitivi per ottenere un'adeguata stabilità chimica e meccanica per l'uso come membrane polielettrolitiche (PEM). CMC, PVA e AA vengono miscelati e trattati con CSA, CCNT e SAC in diverse concentrazioni. Innanzitutto, la soluzione CMC/PVA/AA viene modificata utilizzando CSA per produrre una matrice polimerica solfonata. In secondo luogo, è stata aggiunta una quantità diversa di CCNT o SAC come riempitivo per migliorare la capacità di scambio ionico (IEC), la conduttività ionica e la stabilità chimica. In terzo luogo, la soluzione viene colata sotto forma di membrane polielettrolitiche. Le interazioni chimiche tra CMC, PVA, AA e altri componenti della membrana sono state confermate utilizzando varie tecniche di caratterizzazione come la spettroscopia di diffusione Raman e l'infrarosso in trasformata di Fourier (FTIR). Inoltre, sono stati determinati la resistenza meccanica, l'assorbimento di metanolo, la frazione di gel, la capacità di scambio ionico (IEC), la conduttività protonica (PC), la stabilità chimica e termica come funzioni di vari componenti di modifica della membrana. I risultati rivelano che l’aumento di CSA, CCNT e SAC sta portando ad un aumento dei valori IEC raggiungendo 1,54 mmol/g per (CMC/PVA-4% CSA), 1,74 mmol/g per (CMC/PVA-4%CSA-2% CCNT) e 2,31 mmol/g per (CMC/PVA-4% CSA-2% SAC) rispetto a 0,11 mmol/g per la membrana CMC/PVA/AA non modificata. In sequenza, il valore di conduttività protonica viene modificato da 1 × 10–3 S/cm nella membrana CMC/PVA/AA non modificata a 0,082 S/cm per (CMC/PVA-4% CSA), 0,0984 S/cm per (CMC /PVA-4%CSA-2%CCNT) e 0,1050 S/cm per (CMC/PVA-4% CSA-2% SAC). Tali risultati aumentano la potenziale fattibilità dell'ibrido CMC/PVA/AA modificato come membrane polielettrolitiche.

Attualmente, le celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC) rappresentano un'alternativa creativa per le attuali fonti di energia tra gli altri tipi di celle a combustibile (FC). Il DMFC ha avuto un'importanza significativa negli ultimi anni grazie alla sua bassa temperatura operativa, all'elevata densità di potenza, all'elevata efficienza di conversione dell'energia e al fatto che è diventato un combustibile meno costoso1. Piuttosto, il DMFC è considerato uno degli strumenti più importanti che contribuiscono a realizzare operazioni a zero emissioni di carbonio2.

La membrana elettrolitica è il cuore operativo della cella, ha il compito di condurre i protoni (H+) dalla parte anodica al catodo. Alcune delle caratteristiche importanti della membrana polielettrolitica sono buoni conduttori per i protoni (H+), isolanti elettrici, crossover del metanolo molto basso, chimicamente stabile e resistenza durante le condizioni operative della cella3.

Tuttavia, una delle principali limitazioni del DMFC è la perdita di metanolo attraverso la membrana elettrolitica e la produzione di elettroliti polimerici altamente reattivi con una gestione ottimale dell'acqua. Inoltre, il fouling è uno dei problemi che possono colpire le membrane polimeriche4 diminuendone l'efficienza bloccando i siti di legame dei protoni. In particolare, l'incrostazione causata dalle impurità del carburante o da altre interazioni biologiche e chimiche5. La membrana polimerica sporcata deve essere sottoposta a processo di recupero o sostituita, ciò aumenterebbe l'efficienza in termini di costi operativi. Rana et al.6 hanno scoperto che l'aggiunta di sali d'argento alla membrana polimerica porta ad un miglioramento dell'effetto antivegetativo.

Al giorno d'oggi Nafion® è ampiamente utilizzato come elettrolita nelle celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEMFC), ma è limitato da problemi di crossover del metanolo e di gestione dell'acqua7,8.

La membrana polielettrolitica può essere prodotta utilizzando diversi tipi di polimeri dopo il processo di modifica per esaltare il carattere desiderato e migliorarne la conduttività ionica. La modifica può essere effettuata mediante miscelazione e/o trattamento chimico9. L'introduzione di materiali inorganici come HAP10, CNT11 o GO12 con membrane polielettrolitiche porta a migliorare la conduttività protonica e la stabilità meccanica oltre a migliorare l'effetto barriera che è l'importante proprietà di prevenire il crossover del carburante13.