تهیه و شناسایی گونه‌های جدیدی از غشاهای پلی آریلن اتری سولفونه و نانوکامپوزیت‌های مربوطه جهت کاربرد در پیل سوختی

چکیده طرح: با توجه به مشکلات حاصل از استفاده از سوخت‌های فسیلی جهت تامین انرژی، پیل‌های سوختی و به خصوص پیل‌های سوختی با الکترولیت پلیمری به دلیل مزایای آنها نسبت به دیگر انواع پیل کاندیدای مناسب استفاده به عنوان منبعی نو برای تولید انرژی هستند. یکی از الزامات توسعه و تجاری شدن این فناوری، تمرکز بر توسعه‌ی کلیدی‌ترین جزء این سیستم یعنی تهیه‌ی غشاهای پلیمری با هزینه‌ی کم و عملکرد بالا به ویژه در شرایط با دمای بالا و رطوبت کم است. با توجه به معایب غشاهای نفیون از جمله هزینه بسیار بالا و علی رغم تلاش‌های صورت گرفته برای تهیه‌ی غشای جایگرین، هنوز جایگزین مناسبی که دارای جمیع خواص مطلوب باشد به دست نیامده است. در این راستا مطالعه بر روی غشاهای پلی آریلن اتری به عنوان جایگزین غشاهای نفیون در راستای کاهش و یا رفع معایب موجود مورد تمرکز و توجه بیشتری می‌باشد. به همین منظور در این پروژه با درنظر داشتن روش سنتز آسان و در دسترس، سنتز کوپلیمرهای تصادفی سولفونه از این خانواده از پلیمرها، یعنی، پلی آریلن اتر سولفون‌های سولفونه در دستور کار قرار خواهد گرفت. انتظار می رود این غشاهای پلیمری، از استحکام مکانیکی و هیدرولیکی مناسب برخوردار بوده و ضمن داشتن پایداری حرارتی بالا، جذب آب و ظرفیت تبادل یونی مناسب، از عملکرد قابل قبولی در پیل سوختی برخوردار باشند

اهداف طرح:

در این پروژه سنتز کوپلیمرهای تصادفی سولفونه از خانواده پلی آریلن اتر سولفون‌های سولفونه در دستور کار قرار خواهد گرفت. به این منظور پس از سنتز دی هالید سولفونه از دی هالو دی فنیل سولفون مربوطه، کوپلیمرهای سولفونه طی واکنش پلیمریزاسیون تراکمی هسته دوستی با نسبت‌های تنظیم شده از دی هالید سولفونه و غیرسولفونه (برای دست یابی به درجه سولفوناسیون‌های معین) و انواع مختلف دی ال‌ها سنتز می‌شوند. با در نظر داشتن این موضوع که در مقایسه‌ی ساختار دی ال و دی هالید، ساختار دی ال بیشترین تاثیر را بر خواص غشاهای تولیدی دارد از دی ال‌هایی با ساختارهای مختلف استفاده خواهد شد. همچنین در روش سنتزی به کار گرفته شده در این پروژه از عامل زنجیرافزای دکافلوئوروبای فنیل، استفاده خواهد شد. به این ترتیب انتظار می‌رود علاوه بر افزایش جرم مولکولی کوپلیمرهای سنتزی که بهبود خواص مکانیکی و حرارتی را به دنبال خواهد داشت، تاثیر حضور اتم‌های فلوئور نیز بر عملکرد الکتروشیمیایی قابل بررسی باشد. پس از انجام آزمون‌های شناسایی و بررسی خواص اولیه‌، نمونه‌های بهینه برای ارزیابی در محیط پیل سوختی و مطالعه‌ی بیشتر انتخاب می‌شوند. علاوه بر خواص ذاتی مواد، انتخاب روش‌های آماده سازی مناسب نیز برای تضمین کارایی غشا به همان اندازه حائز اهمیت است. بنابراین برای تهیه‌ی غشاها علاوه بر روش رایج قالب‌ریزی محلول پلیمری، از روش الکتروریسی محلولی پلیمرهای منتخب به همراه دیگر روش‌های تهیه‌ی غشا، استفاده خواهد شد و عملکرد این نمونه‌ها نیز در محیط پیل سوختی مورد مطالعه قرار خواهند گرفت. با توجه به این‌که در فرآیند الکتروریسی و تست عملکردی پیل سوختی تاثیر هم‌زمان چند عامل بر خروجی‌مشاهده می‌شود بهینه سازی پارامترهای متغیر جهت حصول خروجی مطلوب (کمترین قطر در الکتروریسی، و بیشینه توان در عملکرد در پیل سوختی)، مفید واقع خواهد شد. به این منظور طی سه مرحله؛ طراحی آزمایش، تحلیل داده‌ها به منظور مطالعه‌ی موثرترین پارامتر بر خروجی و نحوه‌ی تغییر خروجی با تغییر هر یک از متغیرهای ورودی و نهایتاً بهینه‌سازی شرایط الکتروریسی، و مدلسازی تجربی، بهینه‌سازی و یافتن شرایط بهینه‌ی عملکرد در پیل سوختی، انجام خواهد شد.

معرفی به دستاورد مردمی:

در حال حاضر عمده انرژی مصرفی در کره‌ی زمین از طریق منابع تجدیدناپذیر تامین می‌شود و سوخت‌های فسیلی ۸۰% انرژی مورد نیاز را تامین می‌کنند. در نتیجه منابع تجدیدپذیر سهم بسیار کمی را به خود اختصاص داده‌اند. گرم شدن کره‌ی زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب شدن یخ‌ها، بالا آمدن سطح آب دریاها، باران‌های اسیدی، آلودگی هوا، تخلیه‌ی گاز اوزون، آلودگی ناشی از نشت نفت، تخریب زمین‌های کشاورزی و جنگل‌ها توسط استخراج سطحی زغال سنگ از جمله اثرات زیست محیطی استفاده از سوخت‌های فسیلی است. از طرفی بنابر گزارش شرکت‌های نفتی، از سال ۲۰۱۵ عرضه و تقاضای سوخت‌های مایع همخوانی نداشته و در حال حاضر این معضل بیشتر نیز شده است. سیستم انرژی هیدروژنی به عنوان راه حلی برای این مشکلات است. هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی مهم، سبک‌ترین، پربازده‌ترین و پاک‌ترین سوخت‌ها است و یکی از کاربردهای آن تولید الکتریسیته به وسیله‌ی پیل‌های سوختی طی یک واکنش شیمیایی است. بنابراین در قرن حاضر احتمال جایگزینی موتورهای احتراق داخلی، توربین‌های بخار و توربین‌های گازی با پیل‌های سوختی، و سوخت‌های فسیلی با هیدروژن وجود دارد. انواع مختلفی از پیل‌های سوختی وجود دارد. پیل‌های سوختی پلیمری رایج‌ترین نوع این فناوری بوده که واکنش شیمایی از طریق فیلم پلیمری انتخاب پذیر که به آن غشا گفته می‌شود پیش می‌رود و به تولید الکتریسیته می‌انجامد. به این ترتیب غشای پلیمری کانون عملکرد پیل سوختی است و ساخت غشا با خواص، عملکرد و هزینه‌ی مناسب از اولویت‌های محققان در این فناوری جهت تجاری-سازی است. در حال حاضر غشای تجاری مورد استفاده در پیل‌های سوختی پلیمری، نفیون است. غشای نفیون علی رغم خواص عالی، قیمت بالایی دارد و کاملاً واراداتی است. به این منظور در این پروژه به تهیه‌ی پلیمرهایی جهت جایگزینی با غشای نفیون پرداخته شده است. برای تهیه‌ی این پلیمرها از مواد و روش‌های مختلف استفاده شده است تا مجموعه‌ای از خواص و هزینه‌ی قابل رقابت با غشای نفیون داشته باشند. این غشاها از طریق سنتز خانواده‌ای از پلیمرها بر پایه‌ی پلی سولفون‌های سولفونه تهیه شدند. به این ترتیب پلیمرهای غشایی از مواد اولیه تهیه شدند. سپس برای ساخت غشاها از روش‌های مختلفی از جمله قالب‌ریزی محلول پلیمری، تهیه‌ی الیاف نازک پلیمری و چاپ سه بعدی استفاده شد. به طور کلی غشاهای تهیه شده در این پروژه قیمت کمتری نسبت به غشای نفیون داشتند. از لحاظ خواص، غشاهای تهیه شده در این پروژه در برخی موارد برتر و در برخی موارد ضعیف‌تر عمل کردند که راهکارهایی برای ادامه‌ی کار و توسعه‌ی غشاهایی با جمیع خواص مطلوب در نظر گرفته شده است.