Fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide Matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid
New proton exchange membrane based on polyimide Matrimid® (PI) and hydrophobic protic ionic liquid, 1-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (MIM-TFSI), has been prepared by casting from methylene chloride/dimethylformamide solution. Infrared analysis revealed physicochemic...
Gespeichert in:
| Datum: | 2023 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/98 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Catalysis and petrochemistry |
Institution
Catalysis and petrochemistry| _version_ | 1859471931990867968 |
|---|---|
| author | Rogalsky, Sergiy P. Tarasyuk, Oksana P. Cherniavska, Tetiana V. Babkina, Natalia V. Dzhuzha, Oleg V. Shybyryn, Olena V. Makhno, Stanislav M. |
| author_facet | Rogalsky, Sergiy P. Tarasyuk, Oksana P. Cherniavska, Tetiana V. Babkina, Natalia V. Dzhuzha, Oleg V. Shybyryn, Olena V. Makhno, Stanislav M. |
| author_sort | Rogalsky, Sergiy P. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2024-12-24T10:38:54Z |
| description | New proton exchange membrane based on polyimide Matrimid® (PI) and hydrophobic protic ionic liquid, 1-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (MIM-TFSI), has been prepared by casting from methylene chloride/dimethylformamide solution. Infrared analysis revealed physicochemical interactions between 1-methylimidazolium cations and imide groups of PI. The results of mechanical testing indicate significantly reduced tensile strength of PI/MIM-TFSI composite membrane compared to neat polymer. Moreover, the dynamical mechanical analysis results revealed sharp drop in storage modulus (E´) of the polymer film above 60 °C.
To improve the elastic properties of the membrane, PI was successively cross-linked with polyetheramine Jeffamine® D-2000 (10 mol. %) in methylene chloride/dimethylformamide solution, as well as in solid film at 100 °C. This approach allowed to prepare PI/Jeffamine/MIM-TFSI (70 wt. %) composite film which has an acceptable E' value of 210 MPa at 140 °C. According to thermal gravimetric analysis data, PI/Jeffamine/MIM-TFSI composite has a thermal degradation point (i.e. 5 % weight loss) of 286 °C. The ionic conductivity of PI/Jeffamine/MIM-TFSI composite membrane is around 10–4 S/cm at room temperature and reaches the minimal level of 10–3 S/cm, required for fuel cell applications, above 100 °C. Overall, the results of this study indicate that the cross-linking of polyimide Matrimid with flexible polyetheramine Jeffamine is an efficient approach for preparing dense composite membrane with high content of the protic ionic liquid. Such polymer-electrolyte membrane has the reasonable combination of good stiffness, thermal stability, and ionic conductivity and therefore is a promising candidate for use in fuel cells operating at elevated temperatures in water-free conditions. |
| first_indexed | 2026-03-12T15:50:23Z |
| format | Article |
| id | oai:katalizorgua:article-98 |
| institution | Catalysis and petrochemistry |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-03-12T15:50:23Z |
| publishDate | 2023 |
| 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-982024-12-24T10:38:54Z Fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide Matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid Fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide Matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid Rogalsky, Sergiy P. Tarasyuk, Oksana P. Cherniavska, Tetiana V. Babkina, Natalia V. Dzhuzha, Oleg V. Shybyryn, Olena V. Makhno, Stanislav M. polyimide, protic ionic liquid, proton exchange membrane, cross-linking, ionic conductivity polyimide, protic ionic liquid, proton exchange membrane, cross-linking, ionic conductivity New proton exchange membrane based on polyimide Matrimid® (PI) and hydrophobic protic ionic liquid, 1-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (MIM-TFSI), has been prepared by casting from methylene chloride/dimethylformamide solution. Infrared analysis revealed physicochemical interactions between 1-methylimidazolium cations and imide groups of PI. The results of mechanical testing indicate significantly reduced tensile strength of PI/MIM-TFSI composite membrane compared to neat polymer. Moreover, the dynamical mechanical analysis results revealed sharp drop in storage modulus (E´) of the polymer film above 60 °C. To improve the elastic properties of the membrane, PI was successively cross-linked with polyetheramine Jeffamine® D-2000 (10 mol. %) in methylene chloride/dimethylformamide solution, as well as in solid film at 100 °C. This approach allowed to prepare PI/Jeffamine/MIM-TFSI (70 wt. %) composite film which has an acceptable E' value of 210 MPa at 140 °C. According to thermal gravimetric analysis data, PI/Jeffamine/MIM-TFSI composite has a thermal degradation point (i.e. 5 % weight loss) of 286 °C. The ionic conductivity of PI/Jeffamine/MIM-TFSI composite membrane is around 10–4 S/cm at room temperature and reaches the minimal level of 10–3 S/cm, required for fuel cell applications, above 100 °C. Overall, the results of this study indicate that the cross-linking of polyimide Matrimid with flexible polyetheramine Jeffamine is an efficient approach for preparing dense composite membrane with high content of the protic ionic liquid. Such polymer-electrolyte membrane has the reasonable combination of good stiffness, thermal stability, and ionic conductivity and therefore is a promising candidate for use in fuel cells operating at elevated temperatures in water-free conditions. Отримано нову протонобмінну мембрану на основі полііміду Matrimid® (ПІ) і гідрофобної протонної іонної рідини біс(трифторметилсульфоніл)іміду 1-метилімідазолію (МІМ-ТФСІ) поливом з розчину в суміші метиленхлорид/диметилформамід. Аналіз методом інфрачервоної спектроскопії свідчить про фізико-хімічну взаємодію між катіонами 1-метилімідазолію та імідними групами ПІ. Згідно з результатами механічних досліджень, композитна плівка ПІ/МІМ-ТФСІ має суттєво знижену міцність на розрив (на 86 %) у порівнянні з чистим полімером. Крім того, методом динамічного механічного аналізу встановлено різке зменшення модуля пружності (E´) полімерної мембрани за температури вище 60 °C. Для покращення віскоеластичних властивостей протонобмінної мембрани проведено хімічне зшивання ПІ за допомогою поліетераміну Jeffamine® D-2000 в суміші метиленхлорид/диметилформамід, а також у твердій фазі за температури 100 °C. Застосування такого методу дало можливість отримати композитну плівку ПІ/Jeffamine/МІМ-ТФСІ із вмістом іонної рідини 70 масових відсотків, яка має задовільну величину E´ (210 MПа) за температури 140 °C. Згідно з результатами термогравіметричного аналізу, композит має температуру початку деструкції 286 °C. Іонна провідність композитної мембрани ПІ/Jeffamine/МІМ-ТФСІ має порядок 10–4 См/см за кімнатної температури і досягає мінімального рівня 10–3 См/см, необхідного для застосування в паливних елементах, за температури вище 100 °C. Таким чином, результати цієї роботи свідчать, що зшивання полііміду Matrimid гнучким поліетером Jeffamine є ефективним методом отримання суцільної композитної мембрани з високим вмістом протонної іонної рідини. Така мембрана має оптимальне поєднання механічної жорсткості, термічної стійкості та іонної провідності і є перспективною для застосування в паливних елементах, які функціонують за підвищеної температури і за відсутності зволоження. V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine 2023-09-07 Article Article application/pdf https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/98 10.15407/kataliz2023.34.112 Catalysis and petrochemistry; No. 34 (2023): Catalysis and petrochemistry; 112-121 Каталіз та нафтохімія; № 34 (2023): Каталіз та нафтохімія; 112-121 2707-5796 2412-4176 10.15407/kataliz2023.34 en https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/98/81 Copyright (c) 2023 Catalysis and petrochemistry |
| spellingShingle | polyimide protic ionic liquid proton exchange membrane cross-linking ionic conductivity Rogalsky, Sergiy P. Tarasyuk, Oksana P. Cherniavska, Tetiana V. Babkina, Natalia V. Dzhuzha, Oleg V. Shybyryn, Olena V. Makhno, Stanislav M. Fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide Matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid |
| title | Fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide Matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid |
| title_alt | Fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide Matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid |
| title_full | Fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide Matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid |
| title_fullStr | Fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide Matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid |
| title_full_unstemmed | Fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide Matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid |
| title_short | Fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide Matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid |
| title_sort | fabrication of proton exchange membrane for non-humidified fuel cells based on polyimide matrimid® and hydrophobic protic ionic liquid |
| topic | polyimide protic ionic liquid proton exchange membrane cross-linking ionic conductivity |
| topic_facet | polyimide protic ionic liquid proton exchange membrane cross-linking ionic conductivity polyimide protic ionic liquid proton exchange membrane cross-linking ionic conductivity |
| url | https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/98 |
| work_keys_str_mv | AT rogalskysergiyp fabricationofprotonexchangemembranefornonhumidifiedfuelcellsbasedonpolyimidematrimidandhydrophobicproticionicliquid AT tarasyukoksanap fabricationofprotonexchangemembranefornonhumidifiedfuelcellsbasedonpolyimidematrimidandhydrophobicproticionicliquid AT cherniavskatetianav fabricationofprotonexchangemembranefornonhumidifiedfuelcellsbasedonpolyimidematrimidandhydrophobicproticionicliquid AT babkinanataliav fabricationofprotonexchangemembranefornonhumidifiedfuelcellsbasedonpolyimidematrimidandhydrophobicproticionicliquid AT dzhuzhaolegv fabricationofprotonexchangemembranefornonhumidifiedfuelcellsbasedonpolyimidematrimidandhydrophobicproticionicliquid AT shybyrynolenav fabricationofprotonexchangemembranefornonhumidifiedfuelcellsbasedonpolyimidematrimidandhydrophobicproticionicliquid AT makhnostanislavm fabricationofprotonexchangemembranefornonhumidifiedfuelcellsbasedonpolyimidematrimidandhydrophobicproticionicliquid |