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Previous issue date: 2011-07-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The current reference membrane for PEM is Nafion®, a perfluorosulfonic copolymer that exhibits good chemical stability and high proton conductivity in wet conditions and temperatures lower than 90 °C. However the application of this membrane still limited due to loss of conductivity at high temperatures and high cost. In this context new polymeric materials have been studied such as poly(aryl ether ketones), poly(ether-sulphone) and polybenzimidazole. Among them, membranes based on poly(ether-ether-ketone)-PEEK proved to be very promising to application in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The objective of this study is to develop alternative membranes that have comparable properties to perfluorinated membranes. In this work the production and characterization of hybrid membranes of sulfonated poly(ether-ether-ketone)(SPEEK) and phosphonated copolysilsesquioxanes (CP) SPEEK/CP, and its application in proton exchange membrane fuel cell were studied. For this purpose it carried out the pos-sulfonation of PEEK with sulfuric acid as a sulfonating agent in suitable reaction conditions. In order to improve the proton conduction and thermal stability of the polymer, phosphonated copolysilsesquioxanes were synthesized from diethylphosphatoethyltriethoxysilane and phenyltriethoxysilane. The CP s were characterized by infrared spectroscopy, nuclear magnetic resonance of 29Si, 1H e 13C, thermal analysis and viscometry. 10, 20 and 50% (in weight) of CP were incorporated in SPEEK with sulphonation degrees between 60-70%. The semi-interpenetrating copolysilsesquioxanes network was obtained after hydrolysis of the hybrid membrane. The hybrid membranes were also characterized according to their thermal behavior, ion exchange capacity, water uptake, proton conductivity, electrochemical performance in fuel cell and oxidative stability. The proton conductivity in the hydrated state at room temperature was determined by electrochemical impedance spectroscopy. The largest conductivity was presented by hydrolysed membranes with 20% CP produced with 90 mols Ph-TEOS and 10 mols PTES synthesized in 96 horas. With respect to plain SPEEK the proton conductivity of this membrane increased about 367%. The membranes with 20% CP produced with 80 mols Ph-TEOS and 20 mols PTES, and that membrane with 20% CP produced with 90 mols Ph- TEOS and 10 mols PTES synthesized in 24 and 96 h showed the best performance in the fuel cell at 60 °C. / A atual membrana de referência para as células a combustível com membrana trocadora de prótons (PEMFC) é o Nafion® que exibe boa estabilidade química e também alta
condutividade de prótons sob condições hidratadas em temperaturas abaixo de 90°C. Entretanto, a aplicação destas membranas ainda é limitada devido à perda de condutividade em temperaturas altas e o custo elevado. Dentro deste contexto, novos materiais poliméricos têm sido estudados, como poli(aril cetonas), poli(éter-sulfona) (PES) e polibenzimidazóis (PBI). Entre eles, membranas baseadas na poli(éter-éter-cetona) (PEEK) mostraram ser muito promissoras para aplicação em PEMFC. O objetivo deste estudo foi desenvolver membranas híbridas alternativas que possuam propriedades comparáveis às membranas perfluoradas. Foram estudados neste trabalho a produção e a caracterização de membranas híbridas de poli(éter-éter-cetona) sulfonada e copolisilsesquioxanos fosfonados SPEEK/CF, e sua aplicação em células a combustível de membrana trocadora de prótons. Para este propósito foi utilizado a pós-sulfonação do PEEK com ácido sulfúrico como agente sulfonante em condições reacionais adequadas. A fim de aumentar a condutividade de prótons e estabilidade térmica do polímero, copolisilsesquioxanos fosfonados (CF) foram sintetizados a partir de dietilfosfatoetiltrietóxisilano e feniltrietóxisilano e adicionados à SPEEK. Os CF s foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho, ressonância magnética nuclear de 29Si, 1H e 13C, análise térmica e viscosimetria. Razões mássicas de 10, 20 e 50% de CF foram incorporadas na SPEEK com grau de sulfonação entre 60-70%. A rede semiinterpenetrante de copolisilsesquioxano foi obtida após a hidrólise da membrana híbrida. As membranas também foram caracterizadas quanto ao seu comportamento térmico, capacidade de troca iônica, absorção de água, condutividade de prótons (σ), desempenho eletroquímico na célula a combustível e estabilidade oxidativa. A σ das membranas no estado hidratado em temperatura ambiente foi determinada por espectroscopia de impedância eletroquímica, sendo a maior apresentada pela membrana hidrolisada contendo 20% de CF produzido com 90 mols Ph-TEOS e 10 mols PTES em 96 h de reação. Em relação à SPEEK não modificada, a σ dessa membrana híbrida aumentou cerca de 367%. As membranas hidrolisadas contendo 20% de CF produzido com 80 mols Ph-TEOS e 20 mols PTES por 96 h e aquelas produzidas com 90 mols Ph-TEOS e 10 mols PTES sintetizados em 24 e 96 horas, apresentaram o melhor desempenho na célula a combustível a 60 °C.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede.udesc.br #179.97.105.11:handle/1790 |
| Date | 25 July 2011 |
| Creators | Aguiar, Kelen Menezes Flores Rossi |
| Contributors | Pezzin, Sérgio Henrique |
| Publisher | Universidade do Estado de Santa Catarina, Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, UDESC, BR, Ciência dos Materiais |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UDESC, instname:Universidade do Estado de Santa Catarina, instacron:UDESC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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