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Aug 12, 2023

Desempenho aprimorado da membrana nanocomposta desenvolvida em poli sulfonado (1, 4

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8238 (2023) Citar este artigo

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As células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) receberam muito interesse e usam estruturas metal-orgânicas (MOF)/membranas de nanocompósitos de polímeros. Zeolite imidazole framework-90 (ZIF-90) foi empregado como uma adição na matriz poli sulfonada (1,4-fenileno éter-éter-sulfona) (SPEES) a fim de investigar a condutividade de prótons em uma nova membrana nanocomposta feita de SPEES / ZIF. A alta porosidade, a superfície livre e a presença do grupo aldeído na nanoestrutura ZIF-90 têm um impacto substancial no aprimoramento das capacidades mecânicas, químicas, térmicas e de condutividade de prótons das membranas nanocompostas SPEES/ZIF-90. Os resultados indicam que a utilização de membranas de nanocompósitos SPEES/ZIF-90 com 3% em peso de ZIF-90 resultou em aumento da condutividade de prótons de até 160 mS/cm a 90 °C e 98% de umidade relativa (RH). Esta é uma melhoria significativa em comparação com a membrana SPEES que exibiu uma condutividade de prótons de 55 mS/cm nas mesmas condições, indicando um aumento de 1,9 vezes no desempenho. Além disso, a membrana SPEES/ZIF-90/3 exibiu uma melhoria notável de 79% na densidade de potência máxima, alcançando um valor de 0,52 W/cm2 a 0,5 V e 98% UR, que é 79% maior do que a membrana SPEES original .

O impacto adverso do uso generalizado de combustíveis fósseis no meio ambiente, especificamente no que diz respeito às mudanças climáticas, tem resultado em esforços significativos para identificar e implementar alternativas viáveis ​​e sustentáveis. Como resultado, há um foco crescente na exploração e utilização de fontes de energia renováveis ​​que não agridem o meio ambiente, incluindo o hidrogênio. Um dos sistemas de produção de energia que utiliza combustível de hidrogênio são as células de combustível1. Os pesquisadores têm se interessado pela célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) como uma tecnologia de energia verde entre várias células de combustível, devido às suas características e benefícios distintos. Essas vantagens incluem alta velocidade de inicialização, eficiência e densidade de corrente, juntamente com uma baixa temperatura operacional e operação livre de emissões2. Na verdade, uma das partes mais essenciais das PEMFCs é a membrana de troca de prótons, que determina diretamente se a célula de combustível funciona com sucesso ou não. Portanto, preparar uma membrana adequada para aplicação e acelerar o processo de comercialização em PEMFC tem sido um dos principais objetivos de muitos pesquisadores3. Vários polímeros não fluorados, como poli sulfonado (éter éter cetona)4, poli sulfonado (ftalazinona éter cetona)5,6, álcool polivinílico7 e poliéter sulfona sulfonado8,9,10, foram recentemente investigados como alternativas para Nafion comercial. Uma nova família de polímeros de coordenação conhecida como estruturas metal-orgânicas (MOFs) foi identificada, composta por aglomerados metálicos ligados a ligantes orgânicos que possuem uma estrutura cristalina tridimensional11. Os MOFs têm várias aplicações, como armazenamento, separação e catálise, e também são usados ​​como carreadores biológicos na medicina12,13,14,15. Dentre as diversas aplicações, um grande número de MOFs tem mostrado bom potencial para condução de prótons e íons16,17,18. MOFs têm uma alta condutividade de prótons devido ao seu design altamente flexível, superfície livre e alta porosidade11,19. O ZIF pertence à grande família de MOFs e é feito conectando um íon metálico divalente (geralmente Zn2+) a quatro ligantes aniônicos imidazólicos. Possui características como área superficial muito elevada, grande estabilidade térmica e química e estrutura flexível e controlável20,21. A presença do anel imidazólico, segundo o grupo de Zhang22, aumentava a condutividade de prótons.

Portanto, membranas nanocompostas, que são uma combinação de MOFs e polímeros, são uma das perspectivas brilhantes em PEMFC11; porque as boas propriedades dos MOFs incorporados ao polímero levam à produção de novas membranas nanocompostas. Numerosos relatórios sobre a produção de novas membranas nanocompostas que combinam polímero e vários MOFs, como ZIF-823,24,25,26, UIO-6627,28, HKUST-129, CPO-27-Mg30, MIL -53-Al30, MIL -101 (Cr)31,32 e MOF-80833 foram executados.