Novel proton-conducting materials based on a polyethylene terephthalate track-etched membrane modified with an N, P-containing ionic liquid

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The development of novel membrane materials for hydrogen fuel cells, a promising environmentally friendly technology, represents a relevant research task. In this work, we propose an approach to creating proton-conducting membranes from an industrial polyethylene terephthalate (PET) dielectric track-etched film. An N, P-containing ionic liquid was used as a modifying agent, whose polymerization was carried out directly in the PET membrane pores. The ionic liquid was obtained using a novel approach to the directed synthesis of organophosphorus compounds from elemental phosphorus via the Trofimov-Gusarova reaction developed at the A.E. Favorsky Institute of Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. The ionic liquid properties were characterized by NMR and IR spectroscopy. The application of the obtained N, P-containing ionic liquid onto a PET membrane was shown to yield a material exhibiting the required mechanical parameters for operation as proton-conducting membranes. The novel proton-conducting materials demonstrate a high proton conductivity of 77.76 mS·cm-1 at 353 K. The obtained proton-conducting membranes seem promising for application in hydrogen fuel cells, thus contributing to the development of effective alternative energy sources.

About the authors

Yu. Yu. Titova

A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS

Email: ytitova60@gmail.com

A. N. Chesnokova

Irkutsk National Research Technical University

Email: chesnokova@istu.edu

A. S. Sukhanov

Irkutsk National Research Technical University

Email: baizile@ex.istu.edu

N. A. Ivanov

Irkutsk National Research Technical University

Email: ivnik@istu.edu

References

  1. Nieuwlaar E. Life cycle assessment and energy systems, reference module in earth systems and environmental sciences. In: Reference module in Earth systems and environmental sciences. Elsevier, 2013. P. 647–654. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-409548-9.01334-8.
  2. Breeze P. The environmental impact of energy storage technologies. In: Power system energy storage technologies. Academic Press, 2018. P. 79–84. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812902-9.00009-2.
  3. Letyagina E. On Assessing the impact of automotive transport on the environment of urban agglomerations using the Krasnoyarsk Territory as an example // Transportation Research Procedia. 2023. Vol. 68. P. 505–510. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2023.02.068.
  4. Maiti J., Kakati N., Lee S.H., Jee S.H., Viswanathan B., Yoon Y.S. Where do poly(vinyl alcohol) based membranes stand in relation to Nafion® for direct methanol fuel cell applications? // Journal of Power Sources. 2012. Vol. 216. P. 48–66. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.05.057.
  5. Dhanapal D., Xiao M., Wang S., Meng Y. A review on sulfonated polymer composite/organic-inorganic hybrid membranes to address methanol barrier issue for methanol fuel cells // Nanomaterials. 2019. Vol. 9, no. 5. P. 668. https://doi.org/10.3390/nano9050668.
  6. Oliveira P.N., Catarino M., Müller C.M.O., Brandão L., Tanaka P.D.A., Bertolino J.R., et al. Preparation and characterization of crosslinked PVAL membranes loaded with boehmite nanoparticles for fuel cell applications // Journal of Applied Polymer Science. 2014. Vol. 131, no. 8. P. 40148. https://doi.org/10.1002/app.40148.
  7. Beydaghi H., Javanbakht M., Badiei A. Crosslinked poly(vinyl alcohol)/sulfonated nanoporous silica hybrid membranes for proton exchange membrane fuel cell // Journal of Nanostructure in Chemistry. 2014. Vol. 4. P. 97. https://doi.org/10.1007/s40097-014-0097-y.
  8. Gahlot S., Sharma P.P., Kulshrestha V., Jha P.K. SGO/SPES-based highly conducting polymer electrolyte membranes for fuel cell application // ACS Applied Materials & Interfaces. 2014. Vol. 6, no. 8. P. 5595−5601. https://doi.org/10.1021/am5000504.
  9. Lebedeva O.V., Pozhidaev Y.N., Chesnokova A.N., Malakhova E.A., Raskulova T.V., Kulshrestha V., et al. Sodium p-styrene sulfonate–1-vinylimidazole copolymers for acid–base proton-exchange membranes // Membranes and Membrane Technologies. 2020. Vol. 2, no. 2. P. 76–84. https://doi.org/10.1134/S2517751620020079.
  10. Чеснокова А.Н., Жамсаранжапова Т.Д., Закарчевский С.А., Кулшреста В., Скорникова С.А., Макаров С.С.. Влияние содержания цеолита на протонную проводимость и технические характеристики мембран на основе сшитого поливинилового спирта // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2020. Т. 10. N 2. С. 360–367. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2020-10-2-360-367.
  11. Седых Н.М., Сухов Б.Г., Чеснокова А.Н., Максименко С.Д., Иванов Н.А., Паперный В.Л.. Дизайн новых протонпроводящих материалов // Материалы Юбилейной международной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике, посвященной 50-летию первой школы по люминесценции в Иркутске (г. Иркутск, 01–06 июня 2019 г.). Иркутск: ИГУ, 2019. С. 85–86.
  12. Hanot H., Ferain E. Industrial applications of ion track technology // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2009. Vol. 267, no. 6. P. 1019– 1022. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2009.02.011.
  13. Курахмедов А.Е., Иванов И.А., Александрен ко В.В., Козловский А.Л., Архангельски Е., Здоровец М.В. Асимметричные трековые мембраны, получаемые методом двустороннего облучения на циклотроне ДЦ-60 // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7. N 3. С. 155–164. https://doi.org/10.1134/S2218117217030051.
  14. Manickam S.S., McCutcheon J.R. Model thin film composite membranes for forward osmosis: demonstrating the inaccuracy of existing structural parameter models // Journal of Membrane Science. 2015. Vol. 483. P. 70–74. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.01.017.
  15. Waheed A., Forsyth D., Watts A., Saad A.F., Mitchell G.R., Farmer M., et al. The track nanotechnology // Radiation Measurements. 2009. Vol. 44, no. 9-10. P. 1109–1113. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2009.10.055.
  16. Chakarvarti S.K. Track-etch membranes enabled nano-/microtechnology: a review // Radiation Measurements. 2009. Vol. 44, no. 9-10. P. 1085–1092. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2009.10.028.
  17. Трофимов Б.А., Рахматулина Т.Н., Гусарова Н.К., Малышева С.Ф. Системы элементный фосфор–сильные основания в синтезе фосфорорганических соединений // Успехи химии. 1991. Т. 60. N 12. C. 2619–2632.
  18. Гусарова Н.К., Михалева А.И., Шмидт Е.Ю., Малькина А.Г. Химия ацетилена: новые главы. Новосибирск: Наука, 2013. 368 с.
  19. Малышева С.Ф., Белогорлова Н.А., Куимов В.А., Литвинцев Ю.И., Гоголева Н.М., Сухов Б.Г.. Синтез новых протонпроводящих ионных жидкостей из 1-Hи 1-алкилимидазолов и гипофосфористой кислоты // Бутлеровские сообщения. 2017. Т. 52. N 10. С. 50–55.
  20. Литвинцев Ю.И., Белогорлова Н.А., Малышева С.Ф. Новый подход к N,P-содержащим ионным жидкостям // Современные проблемы химической науки и фармации: сб. материалов VI Всероссийской конференции с международным участием (г. Чебоксары, 23–24 ноября 2017 г.). Чебоксары: ЧГУ им. И.Н. Ульянова, 2017. С. 66.
  21. Hawker C., Schlüter D.A., Sakamoto J. Synthesis of polymers: new structures and methods. Wiley-VCH, 2012. 1184 p.
  22. Шагидуллин Р.Р., Чернова А.В., Виноградова В.С., Мухаметов Ф.С. Атлас ИК-спектров фосфорорганических соединений. М.: Наука, 1990. 343 c.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).