Poly(p-terphenyl piperidinium) as anion exchange membranes. Synthesis and evaluation of properties
(2020) KASM15 20201Centre for Analysis and Synthesis
- Abstract
- Alkaline exchange membrane fuel cells (AEMFC) is an interesting and attractive alternative to proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) due to the potential use of non-precious catalysts which can reduce the overall cost of the fuel cell.
An important component of the AEMFC is the anion conducting membrane. This membrane needs to possess several important properties such as a high hydroxide conductivity and sufficient stability at elevated temperatures for a prolonged time.
The membrane material is a polymer which structure affects the properties. Extensive research has been made in the last decade in order to find a material that posses all the required properties.
In this work, polymers with an all-carbon based backbone and... (More) - Alkaline exchange membrane fuel cells (AEMFC) is an interesting and attractive alternative to proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) due to the potential use of non-precious catalysts which can reduce the overall cost of the fuel cell.
An important component of the AEMFC is the anion conducting membrane. This membrane needs to possess several important properties such as a high hydroxide conductivity and sufficient stability at elevated temperatures for a prolonged time.
The membrane material is a polymer which structure affects the properties. Extensive research has been made in the last decade in order to find a material that posses all the required properties.
In this work, polymers with an all-carbon based backbone and incorporated piperidinium ions, poly(p-terphenyl piperidnium), are synthesized and studied with regards to the structure of the piperidinium ion. Two different polymers were synthesized via superacid catalyzed polycondensations of p-terphenyl, with either 4-piperidone or N -methyl-4-piperidone. These polymers were then functionalized via Menshutkin reactions with alkyl and benzylic halides of different sizes and structures. Seven polymers were successfully synthesized. Three more were attempted, but unsuccessful due to sterical restrictions in the functionalization step, e.g. a limit with regard to the size of the alkylhalide used. Three of the successfully synthesized polymers poly(p-terphenyl N -methyl-N -isobutyl-piperidinium), poly(pterphenyl N -methyl-N -cyclohexylmethyl-piperidinium) and poly(p-terphenyl N - methyl-N -benzyl-piperidinium) were evaluated as hydroxide exchange membranes.
The evaluated polymers displayed OH− conductivities of over 100 mS cm−1 but poor alkaline stability and high water uptake. The properties that the evaluated polymers displayed related to the size and structure of the extender group. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- En av de största utmaningarna världen står inför är omställningen från icke-förnyelsebara till förnyelsebara energikällor. Vissa av de förnyelsebara energikällorna, såsom vind- och solkraft har dock ett problem, nämligen att energin från dessa källor är svåra att lagra. När det blåser mycket eller solen lyser starkt produceras ibland mer energi (elektricitet) än vad som förbrukas, och då går denna elektricitet till spillo. När det däremot är vindstilla eller svag sol så produceras kanske mindre elektricitet än vad som behövs. Vi behöver därför komma på nya innovativa tekniska lösningar för att kunna lagra denna energi. En potential lösning är att omvandla den genererade elektriciteten från dessa energikällor till vätgas. Denna vätgas kan... (More)
- En av de största utmaningarna världen står inför är omställningen från icke-förnyelsebara till förnyelsebara energikällor. Vissa av de förnyelsebara energikällorna, såsom vind- och solkraft har dock ett problem, nämligen att energin från dessa källor är svåra att lagra. När det blåser mycket eller solen lyser starkt produceras ibland mer energi (elektricitet) än vad som förbrukas, och då går denna elektricitet till spillo. När det däremot är vindstilla eller svag sol så produceras kanske mindre elektricitet än vad som behövs. Vi behöver därför komma på nya innovativa tekniska lösningar för att kunna lagra denna energi. En potential lösning är att omvandla den genererade elektriciteten från dessa energikällor till vätgas. Denna vätgas kan lagras för att sedan, när energin behövs, återigen omvandlas till
elektricitet. Denna omvandling kan ske i en så kallad bränslecell.
En bränslecell är en elektrokemisk anordning, vilken kan liknas vid ett batteri. Bränslecellen omvandlar vätgas tillsammans med syre till elektricitet och vatten. Detta sker genom kemiska reaktioner i olika ändar av bränslecellen, precis som att det sker kemiska reaktioner vid plus och minuspolen i ett vanligt batteri. I dessa reaktioner bildas joner och elektroner, vilka båda är små laddade partiklar. Det är elektronerna som ger upphov till den elektriska strömmen, men för att kunna utvinna elektricitet behöver jonerna och elektronerna separeras i bränslecellen. Detta uppnås genom att en komponent i bränslecellen endast släpper igenom joner medan en annan endast släpper igenom elektronerna. Komponenten i bränslecellen som leder joner kallas elektrolyt. Beroende på vad för material elektrolyten är gjord av så kommer den att leda olika typer av joner. Detta i sin tur påverkar vilka reaktioner som sker i bränslecellen, vilket ytterligare leder till olika krav på materialen som bränslecellen är uppbyggd av. Kort och gott har materialen bränslecellen är uppbyggd av stor betydelse.
Bränsleceller har flera användningsområden men det mest välkända är nog bilar. I bilar används bränslecellen för att driva en elektrisk motor och det finns bränslecellsdrivna bilar redan idag. Bränslecellerna som används dessa bilar har dock problem, vilket bl.a. är deras pris. En av de största anledningarna till det höga priset är användandet av den sällsynta och dyra metallen platina. Användandet av platina
ökar kostnaden för bränslecellen avsevärt. I dessa typer av bränsleceller är elektrolyten ett ett så kallat membran, som släpper igenom positivt laddade joner (protoner). Genom att byta ut membranet som leder protoner till ett membran som leder en annan sorts joner så kan man också byta ut platina till något billigare.
Att byta ut membranet är inte speciellt lätt eftersom man då ändrar vilka reaktioner som sker men även vad för kemisk miljö som uppstår i bränslecellen. Membranen har Hera krav på sig som behöver uppfyllas, såsom att jonerna lätt måste kunna ta sig igenom membranet. Membranet får inte heller gå sönder p.g.a. den temperatur eller miljö som råder i cellen. Allt detta påverkas av den molekylära strukturen på
det material som membranet består av. Genom forskning försöker man komma på en molekylär struktur som uppfyller alla dessa krav.
I detta arbete tillverkades membran med olika molekylär struktur. Membranen undersöktes sedan för att se hur väl de uppfyllde de olika kraven och hur den molekylära strukturen påverkade de önskade egenskaperna. Detta arbete är viktigt för att i framtiden kunna utveckla bättre och billigare bränsleceller. Vi behöver kunna lagra och använda mer förnyelsebar energi som en del av ett mer hållbart och miljövänligt
samhälle. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9028788
- author
- Selling, Hugo LU
- supervisor
- organization
- course
- KASM15 20201
- year
- 2020
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Fuel cells, Alkaline exchange membrane fuel cells, Anion exchange membrane fuel cells, Polymer technology, Polymerteknologi
- language
- English
- id
- 9028788
- date added to LUP
- 2020-09-16 11:16:17
- date last changed
- 2020-09-16 11:16:17
@misc{9028788,
abstract = {{Alkaline exchange membrane fuel cells (AEMFC) is an interesting and attractive alternative to proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) due to the potential use of non-precious catalysts which can reduce the overall cost of the fuel cell.
An important component of the AEMFC is the anion conducting membrane. This membrane needs to possess several important properties such as a high hydroxide conductivity and sufficient stability at elevated temperatures for a prolonged time.
The membrane material is a polymer which structure affects the properties. Extensive research has been made in the last decade in order to find a material that posses all the required properties.
In this work, polymers with an all-carbon based backbone and incorporated piperidinium ions, poly(p-terphenyl piperidnium), are synthesized and studied with regards to the structure of the piperidinium ion. Two different polymers were synthesized via superacid catalyzed polycondensations of p-terphenyl, with either 4-piperidone or N -methyl-4-piperidone. These polymers were then functionalized via Menshutkin reactions with alkyl and benzylic halides of different sizes and structures. Seven polymers were successfully synthesized. Three more were attempted, but unsuccessful due to sterical restrictions in the functionalization step, e.g. a limit with regard to the size of the alkylhalide used. Three of the successfully synthesized polymers poly(p-terphenyl N -methyl-N -isobutyl-piperidinium), poly(pterphenyl N -methyl-N -cyclohexylmethyl-piperidinium) and poly(p-terphenyl N - methyl-N -benzyl-piperidinium) were evaluated as hydroxide exchange membranes.
The evaluated polymers displayed OH− conductivities of over 100 mS cm−1 but poor alkaline stability and high water uptake. The properties that the evaluated polymers displayed related to the size and structure of the extender group.}},
author = {{Selling, Hugo}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Poly(p-terphenyl piperidinium) as anion exchange membranes. Synthesis and evaluation of properties}},
year = {{2020}},
}