Σύνθεση και μελέτη των ιδιοτήτων αλκαλικών πολυμερικών ηλεκτρολυτών για εφαρμογή σε συστήματα ηλεκτρόλυσης του νερού

• Κύριος συγγραφέας: Λουκοπούλου, Παρασκευή
• Άλλοι συγγραφείς: Loukopoulou, Paraskevi
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Μεμβράνες ανταλλαγής ανιόντων"; Αλκαλικοί πολυμερικοί ηλεκτρολύτες"; Κατιονική ομάδα; Ιοντική αγωγιμότητα; Αλκαλική σταθερότητα; Anion exchange membranes; Alkaline polymeric electrolytes; Cationic group; Ionic conductivity; Alkaline stability

Οι ενεργειακές απαιτήσεις αυξάνονται με ταχείς ρυθμούς σε παγκόσμιο επίπεδο. Αποτέλεσμα αυτού, αποτελεί η ανάπτυξη άλλων πηγών ενέργειας, οι οποίες είναι φιλικές προς το περιβάλλον. H χρήση του υδρογόνου μπορεί να διευκολύνει την εισαγωγή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην κοινωνία, δεδομένου ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο ως φορέας ενέργειας στις κυψελίδες καυσίμου, όσο και ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού. Οι παραπάνω τεχνολογίες αποτελούν εναλλακτική λύση στις συμβατικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η αρχή λειτουργίας των διαφορετικών διατάξεων, τόσο για την παραγωγή όσο και για την αποθήκευση ενέργειας με χρήση του υδρογόνου, παραμένει ίδια σε κάθε περίπτωση, με εξαίρεση τα χημικά χαρακτηριστικά του ηλεκτρολύτη. Αρχικά, και στις δύο περιπτώσεις κύριο ερευνητικό ενδιαφέρον, ως ηλεκτρολύτες, εμφάνισαν οι μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων (PEMs), η χρήση των οποίων οδηγεί σε υψηλές αποδόσεις των διατάξεων. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά μειονεκτήματα, τα οποία εμποδίζουν την κατασκευή μεγάλης κλίμακας των διατάξεων αυτών, με κύριο το υψηλό κόστος, λόγω της χρήσης ευγενών μετάλλων (πλατίνας και ιριδίου) ως καταλύτες, εξαιτίας του όξινου περιβάλλοντος που επικρατεί. Έτσι, οι ερευνητικές μελέτες επικεντρώθηκαν στην ανάπτυξη συστημάτων ηλεκτρόλυσης η λειτουργία των οποίων γίνεται σε αλκαλικό περιβάλλον και άρα βασίζεται σε λιγότερο δαπανηρά μέταλλα. Ειδικότερα, μελετήθηκαν δύο διαφορετικά αλκαλικά συστήματα α) μεμβρανών που βασίζονται σε ουδέτερα πολυμερή τα οποία είναι εμποτισμένα σε αλκαλικό ηλεκτρολύτη (ion-solvating polymers) και β) μεμβρανών ανταλλαγής ανιόντων (AEMs), που βασίζονται σε πολυμερή που φέρουν κατιονικές ομάδες και αντισταθμιστικά ιόντα τα ΟΗ-. Εντούτοις, τα συστήματα ηλεκτρόλυσης που βασίζονται σε AEMs δεν έχουν ακόμη εμφανίσει σημαντική επιτυχία λόγω της χαμηλής αγωγιμότητας και της περιορισμένης αλκαλικής σταθερότητας που παρουσιάζουν οι μεμβράνες αυτές. Έτσι, με στόχο τη βελτίωση των αποδόσεων των παραπάνω διατάξεων, το ερευνητικό ενδιαφέρον έχει στραφεί στην ανάπτυξη νέων υλικών τα οποία θα χρησιμοποιηθούν ως αλκαλικοί ηλεκτρολύτες. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία πραγματοποιήθηκε η σύνθεση διαφόρων αλκαλικών πολυμερικών ηλεκτρολυτών που βασίζονται σε έναν αρωματικό σκελετό από τον οποίο απουσιάζουν αιθερικοί και σουλφονικοί δεσμοί, προκειμένου να διασφαλιστεί η απαίτηση της υψηλής αλκαλικής σταθερότητας. Τα συμπολυμερή P(ΙΒ-PEO)-y που περιέχουν πλευρικές ομάδες πολυαιθυλενοξειδίου (PEO), οι οποίες μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τα κατιόντα του αλκαλικού διαλύματος (ion solvating groups), συντέθηκαν μέσω αντίδρασης Friedel-Crafts υδροξυαλκυλίωσης, καταλυόμενη από σούπερ οξέα χρησιμοποιώντας ως μονομερή την ισατίνη, το διφαινύλιο και το μονομερές 2,5-διφαινυλ-1,4-δι(μεθοξυπολυ(αιθυλενοξυ))-υδροκινόνη. Ακόμη, παρασκευάστηκαν μεμβράνες από μίγματα διαφόρων ποσοστών του συμπολυμερούς P(ΙΒ-PEO)-20 με το m-PBI προκειμένου να βελτιωθεί η ιοντική αγωγιμότητα του τελικού μίγματος. Επίσης, το P(ΙΒ-PEO)-20 τροποποιήθηκε με την εισαγωγή της κατιονικής ομάδας του πυρρολιδινίου στην ομάδα Ν-Η της ισατίνης με σκοπό την λήψη ΑΕΜs. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε η σύνθεση του συμπολυμερούς P(IB-TFAPh), με χρήση του εμπορικά διαθέσιμου μονομερούς 2,2,2 τριφθοροακετοφαινόνης. Το συμπολυμερές P(IB-TFAPh), τροποποιήθηκε στην ομάδα Ν-Η της ισατίνης, με τις κατιονικές ομάδες του πυρρολιδινίου και του πιπεριδινίου για τη λήψη των αντίστοιχων ΑΕΜs. Όλα τα πολυμερικά υλικά που αναπτύχθηκαν μελετήθηκαν ως προς τα δομικά χαρακτηριστικά τους, τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ιοντικής αγωγιμότητας και εξετάστηκαν ως προς τη χημική τους σταθερότητα σε αλκαλικό περιβάλλον.