Pefungsian bahan MXene dengan kumpulan asid sulfonik sebagai bahan pengisi nano dalam membran poli(eter eter keton) bersulfonat (SPEEK)

Abstract

Sel Fuel Membran Pertukaran Proton (PEMFC) kini dihadkan oleh kos tinggi dan degradasi membran Nafion komersial yang berpunca daripada serangan ion radikal. Bagi menangani cabaran ini, kajian tesis ini menyiasat pembangunan membran komposit menggunakan MXene dua dimensi (2D), Ti3C2Tx, sebagai pengisi nano bagi meningkatkan prestasi membran. Kaedah pefungsian permukaan baharu, yang ditandaetapkan sebagai M1 dan M2, telah dibangunkan untuk memperkenalkan kumpulan asid sulfonik SO3H dan disulfonik 2(SO3H) secara serentak ke permukaan MXene, dengan menggunakan interkalant TMAOH dan NaOH. Pencirian fizikokimia melalui FTIR menunjukkan puncak baharu pada ~1000 cm⁻¹, mengesahkan kejayaan pemasukan kumpulan sulfonik, manakala analisis XPS mengesahkan pembentukan ikatan Ti-S pada ~463 eV. Khususnya, Na-Ti3C2Tx-S2-M2 yang disintesis melalui kaedah M2, menunjukkan tahap kefungsian kumpulan berfungsi 2(SO3H) sekitar 18.33%. Analisis struktur melalui XRD dan HR-TEM mengesahkan delaminasi berkesan dengan jarak antara lapisan ~ 1.36 nm. Oleh kerana penyerapan kefungsian kumpulan disulfonik yang tinggi, MXene yang diubah suai menunjukkan anjakan struktur MXene menjadi ke arah amorfus yang disahkan oleh SAED. Pengisi yang diubah suai telah dimasukkan ke dalam matriks SPEEK pada muatan yang berbeza-beza untuk mengkaji keupayaan membran dalam pengangkutan proton. Analisis kestabilan terma (TGA/DSC) menunjukkan bahawa pengisi MXene secara signifikan mengukuhkan membran terhadap degradasi. Spektroskopi Impedans Elektrokimia (EIS) pada suhu bilik mendedahkan bahawa SPEEK/Ti3C2Tx-SO3H-0.25% dan SPEEK/Ti3C2Tx-2(SO3H) -0.5% mencapai kekonduksian proton tertinggi masing-masing 3.89 x 10-3 S cm-1 dan 3.18 x 10-3 S cm-1. Keputusan ini menunjukkan bahawa pengisi MXene tersulfonasi melalui kaedah M2 menawarkan strategi bagi memastikan darjah pefungsian yang lebih baik, dan manakala penambahan pengisi MXene terubah suai ke dalam SPEEK meningkatkan kestabilan dan keupayan pegangan air membran. Penemuan tesis ini memberikan alternatif kepada membran Nafion komersial dengan menawarkan strategi pengubahsuaian bahan nano yang berkesan bagi meningkatkan kecekapan keseluruhan teknologi sel fuel.