ПРОВОДЯЩИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ФУРАНОВЫХ ПОЛИИМИНОВ ДЛЯ БИПОЛЯРНЫХ ПЛАСТИН ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Аннотация
Проводящие полимерные композиционные материалы для биполярных пластин топливных элементов с мембраной из полимерного электролита были успешно получены с использованием 2,5-диформилфурана, синтезированного на основе растительной биомассы. Композиты были изготовлены с применением проводящего наполнителя (природный графит) и полииминов из 2,5-диформилфурана и ароматических и алифатических диаминов (пара-фенилендиамин, мета-толуендиамин и гексаметилендиамин). Исследовано влияние содержания полиимина и его типа на электропроводящие и прочностные свойства материалов. Показано, что электропроводность композита растет с уменьшением содержания полимерного связующего, а его механические свойства изменяются в обратном порядке. Лучшие показатели свойств имеют материалы, изготовленные с использованием полиимина на основе 2,5-диформилфурана и мета-толуендиамина (МТДА). Наименьшее значение межфазного контактного сопротивления (0,01 Ом·см2) показали композиты с 45% об. содержанием связующего, а самую высокую механическую прочность (на сжатие и изгиб 21,8 и 32 МПа, соответственно), содержащие 85% об. полиимина. Образец МТДА-75 продемонстрировал оптимальное сочетание электропроводности и механических свойств. Межфазное контактное сопротивление композита составило 0,04 Ом·см2, а прочность – 15 и 22,5 МПа на сжатие и изгиб соответственно. Таким образом, композиты, изготовленные на основе полииминов из 2,5-диформилфурана и различных диаминов и природного графита, в качестве электропроводящего наполнителя, демонстрируют большой потенциал для производства биполярных пластин топливных элементов с мембраной из полимерного электролита, и отвечают стратегическому направлению на разработку материалов с минимальным углеродным следом.
Для цитирования:
Катария Я.В., Клушин В.А., Кашпарова В.П., Токарев Д.В., Смирнова Н.В. Проводящие полимерные композиционные материалы на основе фурановых полииминов для биполярных пластин топливных элементов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 3. С. 93-99. DOI: 10.6060/ivkkt.20236603.6766.
Литература
Jiao K., Xuan J., Du Q., Bao Z., Xie B., Wang B., Guiver M.D. Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells. Nature. 2021. V. 595. N 7867. P. 361-369. DOI: 10.1038/s41586-021-03482-7.
Nguyen H.L., Han J., Nguyen X.L., Yu S., Goo Y.M., Le D.D. Review of the durability of polymer electrolyte membrane fuel cell in long-term operation: main influencing parameters and testing protocols. Energies. 2021. V. 14. N 13. P. 40-48. DOI: 10.3390/en14134048.
Wlodarczyk R. Carbon-based materials for bipolar plates for low-temperatures PEM fuel cells—A review. Funct. Mater. Lett. 2019. V. 12. N 02. P. 1930001-1930009. DOI: 10.1142/S1793604719300019.
Kang K., Park S., Jo A., Lee K., Ju H. Development of ultralight and thin bipolar plates using epoxy-carbon fiber prepregs and graphite composites. Int. J. Hydrogen En. 2017. V. 42. N 3. P. 1691-1697. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.05.027.
Radzuan N.A.M., Zakaria M.Y., Sulong A.B., Sahari J. The effect of milled carbon fibre filler on electrical con-ductivity in highly conductive polymer composites. Compos. Pt. B: Eng. 2017. V. 110. P. 153-160. DOI: 10.1016/j.compositesb.2016.11.021.
Zhu J. Carbon black-reinforced 3D and 4D printable conductive polymer composites. In: 3D and 4D Printing of Polymer Nanocomposite Materials. Elsevier. 2020. P. 367-385. DOI: 10.1016/B978-0-12-816805-9.00012-0.
Prasanna D., Selvaraj V. Cyclophosphazene based conductive polymer-carbon nanotube composite as novel supporting material for methanol fuel cell applications. J. Colloid Interface Sci. 2016. V. 472. P. 116-125. DOI: 10.1016/j.jcis.2016.03.032.
Flandin L., Chang A., Nazarenko S., Hiltner A., Baer E. Effect of strain on the properties of an ethylene–octene elastomer with conductive carbon fillers. J. Appl. Polym. Sci. 2000. V. 76. N 6. P. 894-905. DOI: 10.1002/(SICI)1097-4628(20000509)76:6<3894::AID-APP16>3.0.CO;2-K.
Taherian R. Retraction notice to: A review of composite and metallic bipolar plates in proton exchange membrane fuel cell: Materials, fabrication, and material selection. J. Power Sources. 2014. N 265 (1). P. 370-390. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.229239.
Mukherjee A., Dumont M.J., Raghavan V. Sustainable production of hydroxymethylfurfural and levulinic acid: Challenges and opportunities. Biomass Bioenergy. 2015. V. 72. P. 143-183. DOI: 10.1016/j.biombioe.2014.11.007.
Kashparova V.P., Chernysheva D.V., Klushin V.A., Andreeva V.E., Kravchenko O.A., Smirnova N.V. Fu-ran monomers and polymers from renewable plant bio-mass. Usp. Khim. 2021. V. 90. N 6. P. 750 (in Russian). DOI: 10.1070/RCR5018.
Rout P.K., Nannaware A.D., Prakash O., Kalra A., Rajasekharan R. Synthesis of hydroxymethylfurfural from cellulose using green processes: A promising bio-chemical and biofuel feedstock. Chem. Eng. Sci. 2016. V. 142. P. 318-346. DOI: 10.1016/j.ces.2015.12.002.
Kashparova V.P., Shubina E.N., Zhukova I.Yu., Ilchi-baeva I.B., Smirnova N.V., Kagan E.Sh. Promoting ef-fect of pyridine bases on indirect electrochemical oxida-tion of alcohols. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 9. P. 33-39. DOI: 10.6060/ivkkt.20196209.5923.
Klushin V.A., Galkin K.I., Kashparova V.P., Krivo-daeva E.A., Kravchenko O.A., Smirnova N.V., Cher-nyshev V.M., Ananikov V.P. Technological aspects of fructose conversion to high-purity 5-hydroxymethylfurfural, a versatile platform chemical. Russ. J. Org. Chem. 2016. V. 52. N 6. P. 767-771. DOI: 10.1134/S1070428016060014.
Yao K., Adams D., Hao A., Zheng J.P., Liang Z., Nguyen N. Highly conductive and strong graphite-phenolic resin composite for bipolar plate applications. Energy Fuels. 2017. V 31. N 12. P. 14320-14331. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.7b02678.
Kashparova V.P., Klushin V.A., Leontyeva D.V., Smirnova N.V., Chernyshev V.M., Ananikov V.P. Selective synthesis of 2, 5‐diformylfuran by sustainable 4‐acetamido‐TEMPO/halogen‐mediated electrooxidation of 5‐hydroxymethylfurfural. Chem. Asian J. 2016. V. 11. N 18. P 2578-2585. DOI: 10.1002/asia.201600801.
Lee S.B., Cho K.H., Lee W.G., Jang H. Improved corrosion resistance and interfacial contact resistance of 316L stainless-steel for proton exchange membrane fuel cell bipolar plates by chromizing surface treatment. J. Power Sources. 2009. V. 187. N 2. P. 318-323. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.11.064.
Kuan Y.D., Ciou C.W., Shen M.Y., Wang C.K., Fitriani R.Z., Lee C.Y. Bipolar plate design and fabrication using graphite reinforced composite laminate for proton exchange membrane fuel cells. Int. J. Hydrogen En. 2021. V 46. N 31 P. 16801-16814. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.08.030.
Yin Q., Li A.J., Wang W.Q., Xia L.G., Wang Y.M. Study on the electrical and mechanical properties of phenol formaldehyde resin/graphite composite for bipolar plate. J. Power Sources. 2007. V. 165. N 2. P. 717-721. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.12.019.
Faddeev N., Klushin V., Tokarev D., Smirnova N.V. Bio-Based Conductive Polymer Composite Materials for Fuel Cells Bipolar Plates. Key Eng. Mater. 2020. V. 869. P. 591-596. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.869.591.
Ardanuy M., Rodríguez-Perez M.A., Algaba I. Electrical conductivity and mechanical properties of vapor-grown carbon nanofibers/trifunctional epoxy composites prepared by direct mixing. Compos. Pt. B: Eng. 2011. V. 42. N 4. P. 675-681. DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.02.006.
