신규 설폰화 폴리(비닐 알코올)/카르복시 메틸 셀룰로오스/아크릴아미드

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22017(2022) 이 기사 인용

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새로운 고분자 전해질 하이브리드 막은 카르복시 메틸 셀룰로오스(CMC)-폴리비닐 알코올(PVA)-아크릴아미드(AA)를 혼합하여 제조됩니다. 숙신산과 클로로술폰산(CSA)은 각각 가교제와 변형제로 사용됩니다. 또한, 고분자전해질막(PEM)으로 사용하기에 적합한 화학적, 기계적 안정성을 확보하기 위해 필러로 카르복실화탄소나노튜브(CCNT)와 술폰화활성탄(SAC)을 사용합니다. CMC, PVA, AA를 혼합하여 CSA, CCNT, SAC를 농도별로 처리합니다. 먼저, CMC/PVA/AA 용액을 CSA를 사용하여 변형하여 술폰화된 중합체 매트릭스를 생성합니다. 둘째, 이온 교환 용량(IEC), 이온 전도도 및 화학적 안정성을 향상시키기 위해 충전재로 CCNT 또는 SAC의 양을 다르게 첨가했습니다. 셋째, 용액은 고분자 전해질막으로 주조됩니다. CMC, PVA, AA 및 기타 막 구성 요소 간의 화학적 상호 작용은 라만 산란 분광법 및 푸리에 변환 적외선(FTIR)과 같은 다양한 특성화 기술을 사용하여 확인되었습니다. 또한, 기계적 강도, 메탄올 흡수, 겔 분율, 이온 교환 용량(IEC), 양성자 전도도(PC), 화학적 및 열적 안정성이 다양한 막 변형 구성 요소의 함수로 결정되었습니다. 결과는 CSA, CCNT 및 SAC의 증가로 인해 IEC 값이 (CMC/PVA-4% CSA)의 경우 1.54mmol/g, (CMC/PVA-4%CSA-2%)의 경우 1.74mmol/g에 도달하는 것으로 나타났습니다. CCNT) 및 (CMC/PVA-4% CSA-2% SAC)의 경우 2.31mmol/g인 반면, 변형되지 않은 CMC/PVA/AA 막의 경우 0.11mmol/g입니다. 순차적으로, 양성자 전도도 값은 변형되지 않은 CMC/PVA/AA 막의 1 x 10-3 S/cm에서 (CMC/PVA-4% CSA)의 경우 0.082 S/cm, (CMC의 경우 0.0984 S/cm로 변경됩니다. /PVA-4%CSA-2%CCNT) 및 (CMC/PVA-4% CSA-2% SAC)의 경우 0.1050 S/cm. 이러한 결과는 변형된 CMC/PVA/AA 하이브리드의 다중전해막으로서의 잠재적 타당성을 향상시킵니다.

현재, 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 다른 연료전지(FC) 유형 중에서 현재 전력원에 대한 창의적인 대안을 제시합니다. DMFC는 낮은 작동 온도, 높은 전력 밀도, 높은 에너지 변환 효율 및 저렴한 연료로 인해 최근 몇 년 동안 매우 중요했습니다1. 오히려 DMFC는 탄소 중립 운영으로 전환하는 데 참여하는 중요한 도구 중 하나로 간주됩니다2.

전해질 막은 전지의 작동 심장이며, 양극 부분에서 음극으로 양성자(H+)를 전도하는 역할을 담당합니다. 고분자 전해질 막의 중요한 특성 중 일부는 양성자(H+)에 대한 우수한 전도체, 전기 절연체, 매우 낮은 메탄올 교차 화학적 안정성, 셀 작동 조건 동안 견딜 수 있다는 점입니다3.

그러나 DMFC의 주요 제한 사항은 전해질막을 통한 메탄올의 탈락과 최적의 물 관리로 반응성이 높은 고분자 전해질을 생산한다는 것입니다. 또한, 오염은 양성자 결합 부위를 차단하여 고분자막의 효율을 감소시킴으로써 고분자막에 영향을 미칠 수 있는 문제 중 하나입니다4. 특히, 연료 불순물이나 기타 생물학적, 화학적 상호작용으로 인해 발생하는 오염5. 오염된 고분자막은 회수 공정을 거치거나 교체되어야 하며, 이는 비용 운영 효율성을 증가시킵니다. Rana 등6은 고분자 막에 은염을 첨가하면 오염 방지 효과가 향상된다는 사실을 발견했습니다.

요즘 Nafion®은 고분자 전해질 막 연료 전지(PEMFC)의 전해질로 널리 사용되지만 메탄올 교차 및 물 관리 문제로 인해 제한됩니다7,8.

고분자 전해질 막은 원하는 특성을 강화하고 이온 전도도를 향상시키기 위해 개질 공정 후에 다양한 유형의 중합체를 사용하여 생산할 수 있습니다. 혼합 및/또는 화학적 처리9를 통해 변형이 가능합니다. 고분자전해막에 HAP10, CNT11, GO12 등의 무기물질을 도입하면 연료 교차 방지의 중요한 특성인 장벽 효과를 강화할 뿐만 아니라 양성자 전도도 및 기계적 안정성을 향상시킬 수 있습니다13.