Pencirian dan penilaian prestasi biomembran komposit berasaskan natrium alginat/grafitik karbon nitrida bersulfonat (SA/SgCN) untuk aplikasi sel fuel metanol langsung

Abstract

Sel Fuel Metanol Langsung (DMFC) semakin mendapat perhatian sebagai teknologi tenaga hijau terutamanya bagi aplikasi peranti elektronik mudah alih. Dalam sistem ini, membran pertukaran proton (PEM) memainkan peranan sebagai komponen teras bagi menjamin kecekapan operasi sel. Seperti yang diketahui, membran Nafion dominan digunakan dalam aplikasi DMFC, akan tetapi kekangan membran ini terhadap faktor kos dan isu kebolehtelapan metanol telah membawa kepada penggunaan biomembran berasaskan natrium alginat (SA) sebagai alternatif. Namun, sifat hidrofilik melampau dan kekonduksian proton rendah pada biomembran SA tulen menjadi penghalang utama kepada kecekapan aplikasi DMFC. Kajian ini memfokuskan kepada pembangunan biomembran komposit berasaskan SA melalui kaedah tuangan larutan. Metodologi dimulakan dengan proses taut silang secara luaran antara biomembran SA dan agen glutaraldehid (GA), di mana kepekatan GA divariasikan antara 5% hingga 25% bagi menilai kesan ketumpatan taut silang terhadap struktur biomembran. Seterusnya, pengisi grafitik karbon nitrida bersulfonat (SgCN) disintesis melalui kaedah polikondensasi terma, diikuti dengan proses protonasi dan sulfonasi menggunakan pelopor butana sulton bagi memperkenalkan kumpulan asid sulfonik (-SO3H) sebagai tapak aktif pengangkutan proton. Bahan SgCN ini kemudiannya ditambah sebagai pengisi bukan organik ke dalam matriks SA (dengan kepekatan kawalan terbaik iaitu 15% GA) dengan perbezaan berat muatan antara 0.5 bt.% hingga 2.5 bt.%. Prestasi biomembran komposit dalam sistem pasif sel tunggal DMFC kemudiannya diuji menggunakan kepekatan fuel metanol yang berbeza (1 M hingga 5 M) melalui penilaian voltan litar terbuka (OCV) dan ketumpatan kuasa. Hasil kajian membuktikan bahawa proses taut silang berjaya mengurangkan sifat hidrofilik dan penyerapan air berlebihan pada biomembran SA melalui pembentukan ikatan asetal antara kumpulan aldehid GA dan hidroksil SA. Penggunaan 15% GA didapati optimum di mana nilai peratus pengambilan air dan nisbah pembengkakan masing-masing berkurang kepada 83.7% dan 75.6%. Biomembran SA dengan 15% GA mempamerkan nilai kekonduksian proton tertinggi iaitu 3.01 mS cm-1 dan kebolehtelapan metanol sebanyak 4.42 x 10-6 cm2 s-1. Selain itu, kestabilan mekanikal meningkat daripada 19 MPa kepada 36 MPa disebabkan oleh pembentukan rangkaian silang yang lebih padat. Dengan penambahan pengisi SgCN sebanyak 2 bt.% telah berjaya meningkatkan kekonduksian proton kepada 4.0 mS cm-1 dan kapasiti pertukaran ion sebanyak 0.86 mequiv g-1. Peningkatan ini disebabkan oleh pembentukan laluan pengangkutan proton tambahan melalui interaksi kumpulan berfungsi -SO3H dan -COOH. Nilai kebolehtelapan metanol juga berkurang kepada 1.178 x 10-6 cm2 s-1 disebabkan oleh kesan laluan berliku daripada helaian SgCN. Sifat mekanikal bagi biomembran komposit ini juga meningkat sehingga 66 MPa, membuktikan kestabilan struktur biomembran bagi aplikasi DMFC. Sampel biomembran komposit terbaik dianalisis untuk sel tunggal DMFC pasif dengan perolehan ketumpatan kuasa 4.34 mW cm-2 menggunakan 2 M fuel metanol. Kesimpulannya, kajian ini membuktikan bahawa kehadiran pengisi SgCN membantu dalam peningkatan kekonduksian proton, kestabilan mekanikal dan ketumpatan kuasa bagi aplikasi DMFC.