Sintesis membran komposit sulfonasi poli (eter eter keton)/grafitik karbon nitrida terfosforilasi untuk aplikasi sel fuel borohidrida langsung

Abstract

Sel Fuel Borohidrida Langsung (DBFC) merupakan teknologi sel fuel cecair yang amat menggalakkan. Membran elektrolit polimer memainkan peranan penting dalam DBFC. Secara tradisinya, membran asid perfluorosulfonik komersial, Nafion, telah menjadi pilihan utama. Namun begitu, penggunaannya yang meluas dihalang oleh kos yang tinggi dan isu kebolehtelapan borohidrida yang tinggi. Oleh itu, penyelidikan ini meneroka kaedah yang mampan untuk mensintesis membran pertukaran kation (CEM), sambil menangani kebimbangan mengenai isu kestabilan mekanikal, kebolehtelapan borohidrida, dan kekonduksian ionik. Dalam kajian ini, sulfonasi poli (eter eter keton) (SPEEK) disintesis melalui kaedah sulfonasi langsung, manakala grafitik karbon nitrida (GCN) disintesis melalui kaedah in-situ. Pengaruh GCN terhadap membran SPEEK dikaji melalui fabrikasi membran komposit SPEEK/GCN menggunakan teknik tuangan larutan. Semua membran komposit telah dicirikan menggunakan inframerah jelmaan fourier (FTIR), spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), pembelauan sinar-X (XRD), mikroskopi imbasan elektron medan emisi (FESEM), mesin ujian universal (UTM), dan analisis termogravimetri (TGA). Sifat elektrokimia membran komposit dinilai berdasarkan kekonduksian ionik dan kebolehtelapan borohidrida. Imej FESEM menunjukkan penyebaran seragam pengisi GCN dalam matriks polimer SPEEK. Pemerhatian ini disokong oleh analisis XRD, yang menunjukkan pengedaran sekata bagi interkalasi GCN antara molekul SPEEK. Membran komposit SPEEK/GCN-1.0 mengatasi membran SPEEK tulen dalam kekuatan tegangan (26.85 MPa), kekonduksian ionik (1.28 mS cm-1), dan kebolehtelapan borohidrida (1.53 × 10-6 cm2 s-1). Namun begitu, kekonduksian ionik bagi SPEEK/GCN-1.0 masih lagi rendah berbanding Nafion, telah mendorong kepada pembangunan GCN terfosforilasi (PGCN),yang disediakan melalui rawatan dengan menggunakan asid fosforik pekat, dan diintegrasikan ke dalam matriks SPEEK melalui teknik tuangan larutan. Membran komposit SPEEK/PGCN yang optimum (1.5 bt.%) menunjukkan kekonduksian ionik tertinggi (1.32 mS cm-1) jika dibandingkan dengan SPEEK tulen (1.05 mS cm-1) dan membran Nafion komersial (1.30 mS cm-1). Peningkatan ini disebabkan oleh kehadiran kumpulan asid fosforik, yang mewujudkan lebih banyak laluan untuk pengangkutan ion. Akhirnya, membran yang dioptimum diaplikasikan pada sel tunggal DBFC pasif, di mana membran komposit SPEEK/PGCN-1.5 menunjukkan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi (19.95 mW cm-2) berbanding membran SPEEK/GCN-1.0 (15.93 mW cm-2) dan membran Nafion (16.26 mW cm-2). Kajian ini menekankan bahawa penggabungan GCN dan PGCN mampu meningkatkan kestabilan mekanikal, kekonduksian ionik, dan mengurangkan kebolehtelapan borohidrida.