Новий протонпровідний електроліт для високотемпературних паливних елементів на основі гідрофобної солі гуанідину
Guanidine salts are promising proton conductors due to the high content of exchangeable protons in guanidinium cation that ensure an efficient proton transfer along hydrogen-bonded network formed by proton donor and proton acceptor sites. However, the high melting point of most guanidine salts is a...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine
2021
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/65 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Catalysis and petrochemistry |
Репозитарії
Catalysis and petrochemistry| _version_ | 1859471919338749952 |
|---|---|
| author | Rogalsky, S.P. Tarasyuk, O.P. Povazhnyi, V.A. Cherniavska, T.V. Makhno, S.M. |
| author_facet | Rogalsky, S.P. Tarasyuk, O.P. Povazhnyi, V.A. Cherniavska, T.V. Makhno, S.M. |
| author_sort | Rogalsky, S.P. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-09-28T12:21:19Z |
| description | Guanidine salts are promising proton conductors due to the high content of exchangeable protons in guanidinium cation that ensure an efficient proton transfer along hydrogen-bonded network formed by proton donor and proton acceptor sites. However, the high melting point of most guanidine salts is a serious drawback for their application as proton conducting electrolytes for fuel cells. Reducing the symmetry of guanidinium cations by the substitution of hydrogen atoms on alkyl radicals reduces the melting points but also leads to decreased proton conductivity. In this study, monosubstituted guanidine salt, N-butylguanidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (BG-TFSI), has been synthesized by a simple two-step method. It is water immiscible room temperature protic ionic liquid. The structure of BG-TFSI was confirmed by nuclear magnetic resonance spectroscopy, as well as infrared spectroscopy. According to thermal gravimetric analysis data, the ionic liquid has the thermal degradation point (5% weight loss) of 348 °C which indicates its excellent thermal stability for use in high-temperature fuel cells. The ionic conductivity of BG-TFSI determined by the electrochemical impedance method was found to be 9·10-4 S/cm at room temperature. This value increased by almost one order of magnitude at temperatures above 100 °C thus reaching an acceptable level for use in fuel cells. The activation energy Ea of ionic conductivity calculated from the Arrhenius plot for BG-TFSI is 16.4 kJ/mol which is close to Ea values reported for other guanidine salts. Based on the obtained results one can assume that the proton transport in BG-TFSI is dominated by Grotthus-type (hopping) mechanism. The results of this study indicated that BG-TFSI is a promising proton conducting electrolyte for fuel cells operating at elevated temperatures in water-free conditions. The hydrophobicity of the ionic liquid is an important advantage since it can prevent its leaching from the polymer electrolyte membrane during fuel cell operation. |
| first_indexed | 2026-03-12T15:50:10Z |
| format | Article |
| id | oai:katalizorgua:article-65 |
| institution | Catalysis and petrochemistry |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-03-12T15:50:10Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:katalizorgua:article-652023-09-28T12:21:19Z New promising proton conducting electrolyte for high-temperature fuel cells based on hydrophobic guanidine salt Новий протонпровідний електроліт для високотемпературних паливних елементів на основі гідрофобної солі гуанідину Rogalsky, S.P. Tarasyuk, O.P. Povazhnyi, V.A. Cherniavska, T.V. Makhno, S.M. guanidine salt protic ionic liquid ionic conductivity proton conducting electrolyte сіль гуанідину протонна іонна рідина іонна провідність протонпровідний електроліт Guanidine salts are promising proton conductors due to the high content of exchangeable protons in guanidinium cation that ensure an efficient proton transfer along hydrogen-bonded network formed by proton donor and proton acceptor sites. However, the high melting point of most guanidine salts is a serious drawback for their application as proton conducting electrolytes for fuel cells. Reducing the symmetry of guanidinium cations by the substitution of hydrogen atoms on alkyl radicals reduces the melting points but also leads to decreased proton conductivity. In this study, monosubstituted guanidine salt, N-butylguanidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (BG-TFSI), has been synthesized by a simple two-step method. It is water immiscible room temperature protic ionic liquid. The structure of BG-TFSI was confirmed by nuclear magnetic resonance spectroscopy, as well as infrared spectroscopy. According to thermal gravimetric analysis data, the ionic liquid has the thermal degradation point (5% weight loss) of 348 °C which indicates its excellent thermal stability for use in high-temperature fuel cells. The ionic conductivity of BG-TFSI determined by the electrochemical impedance method was found to be 9·10-4 S/cm at room temperature. This value increased by almost one order of magnitude at temperatures above 100 °C thus reaching an acceptable level for use in fuel cells. The activation energy Ea of ionic conductivity calculated from the Arrhenius plot for BG-TFSI is 16.4 kJ/mol which is close to Ea values reported for other guanidine salts. Based on the obtained results one can assume that the proton transport in BG-TFSI is dominated by Grotthus-type (hopping) mechanism. The results of this study indicated that BG-TFSI is a promising proton conducting electrolyte for fuel cells operating at elevated temperatures in water-free conditions. The hydrophobicity of the ionic liquid is an important advantage since it can prevent its leaching from the polymer electrolyte membrane during fuel cell operation. Солі гуанідину є перспективними протонними провідниками завдяки високому вмісту у складі їх катіона протонів, здатних до обміну. Це забезпечує ефективне перенесення протонів вздовж сітки водневих зв’язків між донорними і акцепторними групами. Однак високі температури плавлення солей гуанідину є істотним недоліком для їх використання як протонпровідних електролітів. Порушення симетрії гуанідинієвих катіонів заміщенням водневих атомів на алкільні радикали зменшує температуру плавлення солей, а також їх протонну провідність. У цій роботі синтезовано монозаміщену сіль гуанідину-біс(трифторметилсульфоніл)імід N-бутилгуанідинію (БГ-ТФСІ) двостадійним методом. Сполука є протонною іонною рідиною, яка не змішується з водою. Будову БГ-ТФСІ підтверджено методами ядерного магнітного резонансу та інфрачервоної спектроскопії. Згідно з результатами термогравіметричного аналізу, іонна рідина має температуру початку деструкції (втрата маси 5%) 348 °C, що свідчить про її достатню термічну стійкість для використання у високотемпературних паливних елементах. Іонна провідність БГ-ТФСІ, визначена методом електрохімічного імпедансу, становить 9·10-4 См/см за кімнатної температури і зростає майже на один порядок за температур вище 100 °C. Таким чином, іонна рідина має необхідний рівень провідності для застосуванн як електроліту в паливних елементах. Енергія активації іонної провідності Ea, визначена із залежності Ареніуса для БГ-ТФСІ, становить 16.4 kJ/mol і є близькою до величин Ea для інших солей гуанідину. На основі отриманих результатів можна припустити, що протонний транспорт в БГ-ТФСІ відбувається переважно за стрибковим механізмом (Гротгуса). Результати роботи засвідчили перспективність протонної іонної рідини БГ-ТФСІ як електроліту для паливних елементів, які функціонують за підвищених температур і відсутності зволоження. Гідрофобність іонної рідини є важливою перевагою, оскільки може запобігати її вимиванню з полімер-електролітної мембрани при роботі паливного елементу. V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine 2021-12-28 Article Article application/pdf https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/65 10.15407/kataliz2021.32.086 Catalysis and petrochemistry; No. 32 (2021): Catalysis and petrochemistry; 86-92 Каталіз та нафтохімія; № 32 (2021): Каталіз та нафтохімія; 86-92 2707-5796 2412-4176 10.15407/kataliz2021.32 en https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/65/55 Copyright (c) 2021 Catalysis and petrochemistry |
| spellingShingle | сіль гуанідину протонна іонна рідина іонна провідність протонпровідний електроліт Rogalsky, S.P. Tarasyuk, O.P. Povazhnyi, V.A. Cherniavska, T.V. Makhno, S.M. Новий протонпровідний електроліт для високотемпературних паливних елементів на основі гідрофобної солі гуанідину |
| title | Новий протонпровідний електроліт для високотемпературних паливних елементів на основі гідрофобної солі гуанідину |
| title_alt | New promising proton conducting electrolyte for high-temperature fuel cells based on hydrophobic guanidine salt |
| title_full | Новий протонпровідний електроліт для високотемпературних паливних елементів на основі гідрофобної солі гуанідину |
| title_fullStr | Новий протонпровідний електроліт для високотемпературних паливних елементів на основі гідрофобної солі гуанідину |
| title_full_unstemmed | Новий протонпровідний електроліт для високотемпературних паливних елементів на основі гідрофобної солі гуанідину |
| title_short | Новий протонпровідний електроліт для високотемпературних паливних елементів на основі гідрофобної солі гуанідину |
| title_sort | новий протонпровідний електроліт для високотемпературних паливних елементів на основі гідрофобної солі гуанідину |
| topic | сіль гуанідину протонна іонна рідина іонна провідність протонпровідний електроліт |
| topic_facet | guanidine salt protic ionic liquid ionic conductivity proton conducting electrolyte сіль гуанідину протонна іонна рідина іонна провідність протонпровідний електроліт |
| url | https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/65 |
| work_keys_str_mv | AT rogalskysp newpromisingprotonconductingelectrolyteforhightemperaturefuelcellsbasedonhydrophobicguanidinesalt AT tarasyukop newpromisingprotonconductingelectrolyteforhightemperaturefuelcellsbasedonhydrophobicguanidinesalt AT povazhnyiva newpromisingprotonconductingelectrolyteforhightemperaturefuelcellsbasedonhydrophobicguanidinesalt AT cherniavskatv newpromisingprotonconductingelectrolyteforhightemperaturefuelcellsbasedonhydrophobicguanidinesalt AT makhnosm newpromisingprotonconductingelectrolyteforhightemperaturefuelcellsbasedonhydrophobicguanidinesalt AT rogalskysp novijprotonprovídnijelektrolítdlâvisokotemperaturnihpalivnihelementívnaosnovígídrofobnoísolíguanídinu AT tarasyukop novijprotonprovídnijelektrolítdlâvisokotemperaturnihpalivnihelementívnaosnovígídrofobnoísolíguanídinu AT povazhnyiva novijprotonprovídnijelektrolítdlâvisokotemperaturnihpalivnihelementívnaosnovígídrofobnoísolíguanídinu AT cherniavskatv novijprotonprovídnijelektrolítdlâvisokotemperaturnihpalivnihelementívnaosnovígídrofobnoísolíguanídinu AT makhnosm novijprotonprovídnijelektrolítdlâvisokotemperaturnihpalivnihelementívnaosnovígídrofobnoísolíguanídinu |