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Aug 01, 2023

Performances améliorées de la membrane nanocomposite développée sur poly sulfoné (1, 4

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 8238 (2023) Citer cet article 488 accès 1 Citations 1 Détails d'Altmetric Metrics Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) ont reçu de nombreux

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8238 (2023) Citer cet article

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Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) ont suscité beaucoup d'intérêt et utilisent des membranes nanocomposites à structure métal-organique (MOF)/polymère. Le framework zéolite imidazole-90 (ZIF-90) a été utilisé en complément de la matrice poly sulfonée (1, 4-phénylène éther-éther-sulfone) (SPEES) afin d'étudier la conductivité protonique dans une nouvelle membrane nanocomposite constituée de SPEES. /ZIF. La porosité élevée, la surface libre et la présence du groupe aldéhyde dans la nanostructure ZIF-90 ont un impact substantiel sur l'amélioration des capacités mécaniques, chimiques, thermiques et de conductivité protonique des membranes nanocomposites SPEES/ZIF-90. Les résultats indiquent que l'utilisation de membranes nanocomposites SPEES/ZIF-90 avec 3 % en poids de ZIF-90 a entraîné une conductivité protonique améliorée allant jusqu'à 160 mS/cm à 90 °C et 98 % d'humidité relative (HR). Il s’agit d’une amélioration significative par rapport à la membrane SPEES qui présentait une conductivité protonique de 55 mS/cm dans les mêmes conditions, ce qui indique une performance multipliée par 1,9. De plus, la membrane SPEES/ZIF-90/3 a présenté une amélioration remarquable de 79 % de la densité de puissance maximale, atteignant une valeur de 0,52 W/cm2 à 0,5 V et 98 % d'humidité relative, soit 79 % de plus que celle de la membrane SPEES vierge. .

L’impact négatif de l’utilisation généralisée des combustibles fossiles sur l’environnement, notamment en ce qui concerne le changement climatique, a donné lieu à des efforts considérables pour identifier et mettre en œuvre des alternatives réalisables et durables. En conséquence, l’accent est de plus en plus mis sur l’exploration et l’utilisation de sources d’énergie renouvelables respectueuses de l’environnement, notamment l’hydrogène. L’un des systèmes de production d’énergie utilisant l’hydrogène est la pile à combustible1. Les chercheurs se sont intéressés à la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) en tant que technologie d'énergie verte parmi diverses piles à combustible, en raison de ses caractéristiques et de ses avantages distinctifs. Ces avantages incluent une vitesse de démarrage, une efficacité et une densité de courant élevées, ainsi qu'une faible température de fonctionnement et un fonctionnement sans émissions2. En fait, l’un des éléments les plus essentiels des PEMFC est la membrane échangeuse de protons, qui détermine directement si la pile à combustible fonctionne correctement ou non. Par conséquent, préparer une membrane appropriée pour l’application et accélérer le processus de commercialisation dans le PEMFC a été l’un des principaux objectifs de nombreux chercheurs3. Un certain nombre de polymères non fluorés, tels que la poly(éther éther cétone) sulfonée4, la poly(phtalazinone éther cétone)5,6, l'alcool polyvinylique7 et la polyéther sulfone sulfonée8,9,10, ont récemment été étudiés comme alternatives. à la Nafion commerciale. Une nouvelle famille de polymères de coordination connus sous le nom de structures métal-organiques (MOF) a été identifiée. Elle est constituée d'amas métalliques attachés à des ligands organiques qui ont une structure cristalline tridimensionnelle11. Les MOF ont diverses applications telles que le stockage, la séparation et la catalyse et sont également utilisés comme supports biologiques en médecine12,13,14,15. Parmi les diverses applications, un grand nombre de MOF ont montré un bon potentiel pour la conduction protonique et ionique16,17,18. Les MOF ont une conductivité protonique élevée en raison de leur conception très flexible, de leur surface libre et de leur porosité élevée11,19. Le ZIF appartient à la grande famille des MOF et est fabriqué en connectant un ion métallique divalent (souvent Zn2+) à quatre lieurs anioniques imidazole. Il présente des caractéristiques telles qu’une très grande surface spécifique, une grande stabilité thermique et chimique et une structure flexible et contrôlable20,21. Selon le groupe Zhang22, la présence du cycle imidazole augmente la conductivité protonique.

Par conséquent, les membranes nanocomposites, qui sont une combinaison de MOF et de polymères, constituent l’une des perspectives brillantes du PEMFC11 ; car les bonnes propriétés des MOF incorporés dans le polymère conduisent à la production de nouvelles membranes nanocomposites. De nombreux rapports sur la production de nouvelles membranes nanocomposites combinant polymère et divers MOF tels que ZIF-823,24,25,26, UIO-6627,28, HKUST-129, CPO-27-Mg30, MIL -53-Al30, MIL -101 (Cr)31,32 et MOF-80833 ont été réalisés.