Nouveau poly(alcool vinylique)/carboxyméthylcellulose/acrylamide sulfoné

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22017 (2022) Citer cet article

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De nouvelles membranes hybrides polyélectrolytiques sont préparées en mélangeant de la carboxyméthylcellulose (CMC)-alcool polyvinylique (PVA)-acrylamide (AA). L'acide succinique et l'acide chlorosulfonique (CSA) sont utilisés respectivement comme agents de réticulation et modificateurs. De plus, des nanotubes de carbone carboxylés (CCNT) et du charbon actif sulfoné (SAC) comme charges sont utilisés pour atteindre une stabilité chimique et mécanique appropriée pour une utilisation comme membranes polyélectrolytes (PEM). La CMC, le PVA et l'AA sont mélangés et traités avec du CSA, du CCNT et du SAC à différentes concentrations. Tout d’abord, la solution CMC/PVA/AA est modifiée à l’aide de CSA pour produire une matrice polymère sulfonée. Deuxièmement, une quantité différente de CCNT ou de SAC a été ajoutée comme charge pour améliorer la capacité d'échange d'ions (IEC), la conductivité ionique et la stabilité chimique. Troisièmement, la solution est moulée sous forme de membranes polyélectrolytiques. Les interactions chimiques entre CMC, PVA, AA et d'autres composants membranaires ont été confirmées à l'aide de diverses techniques de caractérisation telles que la spectroscopie de diffusion Raman et l'infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). En outre, la résistance mécanique, l'absorption de méthanol, la fraction de gel, la capacité d'échange d'ions (IEC), la conductivité protonique (PC), la stabilité chimique et thermique ont été déterminées en fonction de divers composants de modification de la membrane. Les résultats révèlent que l'augmentation de CSA, CCNT et SAC conduit à une augmentation des valeurs IEC atteignant 1,54 mmol/g pour (CMC/PVA-4% CSA), 1,74 mmol/g pour (CMC/PVA-4%CSA-2% CCNT) et 2,31 mmol/g pour (CMC/PVA-4 % CSA-2 % SAC) comparativement à 0,11 mmol/g pour la membrane CMC/PVA/AA non modifiée. Séquentiellement, la valeur de conductivité protonique passe de 1 × 10–3 S/cm dans une membrane CMC/PVA/AA non modifiée à 0,082 S/cm pour (CMC/PVA-4 % CSA), 0,0984 S/cm pour (CMC /PVA-4%CSA-2%CCNT) et 0,1050 S/cm pour (CMC/PVA-4%CSA-2%SAC). De tels résultats améliorent la faisabilité potentielle de l’hybride CMC/PVA/AA modifié en tant que membranes polyélectrolytiques.

Actuellement, les piles à combustible au méthanol direct (DMFC) représentent une alternative inventive aux sources d'énergie actuelles parmi les autres types de piles à combustible (FC). Le DMFC a joué un rôle important ces dernières années en raison de sa faible température de fonctionnement, de sa densité de puissance élevée, de son rendement de conversion énergétique élevé et de son carburant moins cher1. Le DMFC est plutôt considéré comme l’un des outils importants qui contribuent au passage à des opérations neutres en carbone2.

La membrane électrolytique est le cœur opérationnel de la cellule, elle est chargée de conduire les protons (H+) de la partie anodique vers la cathode. Certaines des caractéristiques importantes de la membrane polyélectrolytique sont de bons conducteurs pour les protons (H+), des isolants électriques, un très faible transfert de méthanol chimiquement stable et une résistance dans les conditions de fonctionnement de la cellule3.

Cependant, une restriction majeure du DMFC est la perte de méthanol à travers la membrane électrolytique et la production d'électrolytes polymères hautement réactifs avec une gestion optimale de l'eau. De plus, l'encrassement est l'un des problèmes qui peuvent affecter les membranes polymères4 en diminuant leur efficacité en bloquant les sites de liaison des protons. En particulier, l'encrassement provoqué par les impuretés du carburant ou d'autres interactions biologiques et chimiques5. La membrane polymère encrassée doit être soumise à un processus de récupération ou remplacée, ce qui augmenterait l'efficacité opérationnelle. Rana et al.6 ont découvert que l'ajout de sels d'argent à la membrane polymère entraînait une amélioration de l'effet antisalissure.

De nos jours, le Nafion® est largement utilisé comme électrolyte dans les piles à combustible à membrane électrolytique polymère (PEMFC), mais il est limité par les problèmes de croisement du méthanol et de gestion de l'eau7,8.

La membrane polyélectrolytique peut être produite en utilisant différents types de polymères après le processus de modification pour renforcer le caractère souhaité et améliorer leur conductivité ionique. La modification peut être effectuée par mélange et/ou traitement chimique9. L'introduction de matériaux inorganiques tels que HAP10, CNT11 ou GO12 avec des membranes polyélectrolytiques conduit à améliorer la conductivité protonique et la stabilité mécanique en plus de renforcer l'effet de barrière qui est la propriété importante pour empêcher le croisement du carburant13.