Ανάπτυξη νέων πολυμερικών ηλεκτρολυτών με εφαρμογή στην αλκαλική ηλεκτρόλυση του νερού

Loading...
Thumbnail Image

Date

2024-06-17

Authors

Γκιόσι, Σάρα

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Καθώς οι ενεργειακές απαιτήσεις αυξάνονται εκθετικά με την αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού και σε συνδυασμό με την μακροχρόνια χρήση ορυκτών καυσίμων που έχει οδηγήσει σε τεράστια οικολογική καταστροφή, καθίσταται αναγκαία η αναζήτηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Το υδρογόνο αποτελεί έναν πολλά υποσχόμενο εναλλακτικό φορέα ενέργειας, ικανό να δημιουργήσει ένα παγκόσμιο σύστημα ενέργειας βασιζόμενο σε ανανεώσιμες πηγές. Η μεγάλης κλίμακας (GW) παραγωγή υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού αποτελεί κεντρικό πυλώνα για την πράσινη μετάβαση και την μείωση των ρύπων από την καύση των ορυκτών καυσίμων λόγω της δυνατότητας αποθήκευσης του καθώς και της χρήσης του για την παραγωγή βιώσιμων καυσίμων, χημικών και υλικών. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον στην ανάπτυξη διατάξεων αλκαλικής ηλεκτρόλυσης που χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη πυκνή πολυμερική μεμβράνη που είτε βασίζεται σε πολικά (μη ιοντικά) πολυμερή που αλληλεπιδρούν με υδατικό διάλυμα ΚΟΗ (Ion Solvating Membrane, ISM) είτε βασίζεται σε κατιονικά πολυμερή που φέρουν ως αντισταθμιστικά ιόντα, υδροξυλιόντα (μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων, ΑΕΜ) λόγω των πλεονεκτημάτων που φέρουν έναντι της κλασσικής ηλεκτρόλυσης. Ωστόσο, οι περισσότερες από τις πολυμερικές μεμβράνες που χρησιμοποιούνται εμφανίζουν ανεπαρκή ιοντική αγωγιμότητα και περιορισμένη αλκαλική σταθερότητα. Η βελτίωση αυτών των δύο κρίσιμων παραμέτρων, θεωρείται απαραίτητη για την αύξηση της απόδοσης και της μακροχρόνιας λειτουργίας αυτών των συστημάτων. Στα πλαίσια της μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν διεξοδικά ISM και AEM πολυμερικές αλκαλικές μεμβράνες για την εφαρμογή τους στην ηλεκτρόλυση του νερού. Στο πρώτο μέρος, αρχικά συντέθηκαν τα πρόδρομα συμπολυμερή που βασίζονται σε μια αλκαλικά σταθερή, ανθρακική κύρια πολυμερική αλυσίδα (απουσιάζουν οι αιθερικοί δεσμοί) που περιέχει τμήματα τριφαινυλενίου-ισατίνης μέσω αντίδρασης πολυυδροξυαλκυλίωσης Friedel-Crafts καταλυόμενης από υπεροξέα. Τα συμπολυμερή αυτά στη συνέχεια τροποποιήθηκαν με εισαγωγή της κατιονικής ομάδας πιπεριδινίου, η οποία επιλέχθηκε λόγω της υψηλής αλκαλικής της σταθερότητας. x Τα κατιόντα πιπεριδινίου συνδέθηκαν στην κύρια πολυμερική αλυσίδα είτε μέσω μακριάς αλειφατικής πλευρικής αλυσίδας, είτε μέσω μιας πλευρικής υδρόφιλης αλυσίδας αιθυλενοξειδίου, προκειμένου να ενισχυθεί ο μικροφασικός διαχωρισμός. Η πιστοποίηση των δομών τους πραγματοποιήθηκε με 1H-NMR και ATR-FTIR φασματοσκοπία. Ακολούθησε η μετατροπή των AEMs συμπολυμερών στις αντίστοιχες μεμβράνες τους (υδροξυλιακή μορφή) και η μελέτη τους ως προς την ιονοανταλλακτική τους ικανότητα (IEC), την ικανότητα εμποτισμού τόσο σε νερό όσο και σε υδατικό διάλυμα ΚΟΗ. Επίσης, εξετάστηκε η θερμική τους σταθερότητα, η ηλεκτροχημική τους συμπεριφορά, η οποία περιλαμβάνει μετρήσεις ιοντικής αγωγιμότητας, και η χημική τους σταθερότητα σε αλκαλικά διαλύματα ΚΟΗ στους 80 οC για διαφορετικούς χρόνους. Στο δεύτερο μέρος, παρασκευάστηκαν μίγματα πολυβενζιμιδαζολίου με αρωματικό συμπολυμερές που βασίζεται σε μια αλκαλικά σταθερή, ανθρακική κύρια πολυμερική αλυσίδα (απουσία αιθερικών δεσμών) που φέρει πλευρικές ομάδες πολυ(αιθυλενοξειδίου) (PEO) διαφορετικού μήκους οι οποίες μπορούν να αλληλεπιδρούν με υδατικό διάλυμα ΚΟΗ. Οι ISM μεμβράνες αυτές μελετήθηκαν επίσης ως προς την ικανότητα εμποτισμού σε υδατικό διάλυμα ΚΟΗ, την ηλεκτροχημική τους συμπεριφορά, και εκτενέστερα ως προς την χημική τους σταθερότητα σε αλκαλικά διαλύματα KOH στους 80 οC για έξι μήνες.

Description

Keywords

Ηλεκτρόλυση νερού, Μεμβράνες ανταλλαγής ανιόντων, Αλκαλικοί πολυμερικοί ηλεκτρολύτες, Κατιονική ομάδα, Ιοντική αγωγιμότητα, Αλκαλική σταθερότητα

Citation