Асимметрия ионного транспорта в гибридных мембранах МФ-4СК с градиентным распределением гидратированного оксида кремния, в том числе с модифицированной поверхностью

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе приведены результаты исследования свойств гибридных материалов на основе гомогенной мембраны МФ-4СК с градиентным распределением допанта по толщине. В качестве допанта использованы наночастицы гидратированного оксида кремния, в том числе с функционализированной поверхностью, содержащей протоноакцепторные группы. Выявлено наличие асимметрии диффузионной проницаемости растворов HCl и NaCl исследуемых мембран. Показано, что диффузионная проницаемость зависит от ориентации мембраны по отношению к раствору электролита и асимметрия достигает 65%. В зависимости от свойств поверхности внедренного оксида кремния (от природы и размера привитых групп) направление преимущественного транспорта ионов меняется. Описаны причины возникновения асимметрии диффузионной проницаемости и факторы, определяющие ее направление.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. Ю. Сафронова

Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: safronova@igic.ras.ru
Россия, Ленинский просп., 31, Москва, 119991

Ю. А. Караванова

Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН

Email: safronova@igic.ras.ru
Россия, Ленинский просп., 31, Москва, 119991

И. А. Стенина

Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН

Email: safronova@igic.ras.ru
Россия, Ленинский просп., 31, Москва, 119991

Д. Ю. Воропаева

Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН

Email: safronova@igic.ras.ru
Россия, Ленинский просп., 31, Москва, 119991

Д. В. Сафронов

Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН

Email: safronova@igic.ras.ru
Россия, Ленинский просп., 31, Москва, 119991

А. А. Лысова

Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН

Email: safronova@igic.ras.ru
Россия, Ленинский просп., 31, Москва, 119991

В. А. Крутько

Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН

Email: safronova@igic.ras.ru
Россия, Ленинский просп., 31, Москва, 119991

А. Д. Манин

Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН

Email: safronova@igic.ras.ru
Россия, Ленинский просп., 31, Москва, 119991

Список литературы

  1. Jiang S., Sun H., Wang H., Ladewig B.P., Yao Z. A comprehensive review on the synthesis and applications of ion exchange membranes // Chemosphere. 2021. V. 282. 130817. https://doi.org/10.1016/J.CHEMOSPHERE.2021.130817
  2. Strathmann H., Grabowski A., Eigenberger G. Ion-exchange membranes in the chemical process industry // Ind. Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. P. 10364–10379. https://doi.org/10.1021/ie4002102
  3. Ran J., Wu L., He Y., Yang Z., Wang Y., Jiang C., Ge L., Bakangura E., Xu T. Ion exchange membranes: New developments and applications // J. Memb. Sci. 2017. V. 522. P. 267–291. https://doi.org/10.1016/J.MEMSCI.2016.09.033
  4. Филиппов С.П., Ярославцев А.Б. Водородная энергетика: перспективы развития и материалы // Успехи химии. 2021. № 90. С. 627–643.
  5. Bakangura E., Wu L., Ge L., Yang Z., Xu T. Mixed matrix proton exchange membranes for fuel cells: State of the art and perspectives // Prog. Polym. Sci. 2016. V. 57. P. 103–152. https://doi.org/10.1016/J.PROGPOLYMSCI.2015.11.004
  6. Safronova E.Y., Lysova A.A., Voropaeva D.Y., Yaroslavtsev A.B. Approaches to the Modification of Perfluorosulfonic Acid Membranes // Membranes (Basel). 2023. V. 13. https://doi.org/10.3390/membranes13080721
  7. Zakaria Z., Shaari N., Kamarudin S.K., Bahru R., Musa M.T. A review of progressive advanced polymer nanohybrid membrane in fuel cell application // Int. J. Energy Res. 2020. V. 44. P. 8255–8295. https://doi.org/10.1002/ER.5516
  8. Prykhodko Y., Fatyeyeva K., Hespel L., Marais S. Progress in hybrid composite Nafion®-based membranes for proton exchange fuel cell application // Chem. Eng. J. 2020. 127329. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127329
  9. Wong C.Y., Wong W.Y., Ramya K., Khalid M., Loh K.S., Daud W.R.W., Lim K.L., Walvekar R., Kadhum A.A.H. Additives in proton exchange membranes for low- and high-temperature fuel cell applications: A review // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. P. 6116–6135. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2019.01.084
  10. Kim D.J., Jo M.J., Nam S.Y. A review of polymer–nanocomposite electrolyte membranes for fuel cell application // J. Ind. Eng. Chem. 2015. V. 21. P. 36–52. https://doi.org/10.1016/J.JIEC.2014.04.030
  11. Makhsoos A., Kandidayeni M., Pollet B.G., Boulon L. A perspective on increasing the efficiency of proton exchange membrane water electrolyzers – a review // Int. J. Hydrogen Energy. 2023. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.01.048
  12. Ачох А.Р., Бондарев Д.А., Мельников С.С., Заболоцкий В.И. Избирательная проницаемость гомогенной бислойной мембраны МФ-4СК с селективным слоем из катионного полиэлектролита в смешанном растворе хлорида кальция и хлорида натрия // Мембраны и мембранные технологии. 2024. № 14. С. 358–367. https://doi.org/10.31857/S2218117224050026
  13. Siwy Z., Kosińska I.D., Fuliński A., Martin C.R. Asymmetric diffusion through synthetic nanopores // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. 048102. https://doi.org/10.1103/PHYSREVLETT.94.048102/FIGURES/4/THUMBNAIL
  14. Apel P.Y., Korchev Y.E., Siwy Z., Spohr R., Yoshida M. Diode-like single-ion track membrane prepared by electro-stopping // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms. 2001. V. 184. 337–346. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(01)00722-4
  15. Fan H., Xu Y., Zhao F., Chen Q.B., Wang D., Wang J. A novel porous asymmetric cation exchange membrane with thin selective layer for efficient electrodialysis desalination // Chem. Eng. J. 2023. V. 472. 144856. https://doi.org/10.1016/J.CEJ.2023.144856
  16. Лысова А.А., Стенина И.А., Горбунова Ю.Г., Кононенко Н.А., Ярославцев А.Б. Композиционные системы полианилин/МФ-4СК с модифицированным поверхностным слоем // Электрохимия. 2011. № 47. С. 618–624.
  17. Loza N., Falina I.V., Kutenko N., Shkirskaya S., Loza J., Kononenko N. Bilayer Heterogeneous Cation Exchange Membrane with Polyaniline Modified Homogeneous Layer: Preparation and Electrotransport Properties // Membranes (Basel). 2023. V. 13. P. 829. https://doi.org/10.3390/membranes13100829
  18. Сафронова Е.Ю., Прихно И.А., Пурсели Ж., Ярославцев А.Б. Асимметрия ионного транспорта в гибридных мембранах МФ-4СК с градиентным распределением гидратированного оксида циркония // Мембраны и мембранные технологии. 2013. № 3. С. 308–313.
  19. Филиппов А.Н., Кононенко Н.А., Фалина И.В., Тицкая Е.В., Петрова Д.А. Электродиффузионные характеристики бислойных мембран, модифицированных галлуазитом // Коллоидный журнал. 2020. № 82. С. 106–118. https://doi.org/10.31857/S002329122001005X
  20. Filippov A.N., Kononenko N.A., Loza N.V., Kopitsyn D.S., Petrova D.A. Modelling of transport properties of perfluorinated one- and bilayer membranes modified by polyaniline decorated clay nanotubes // Electrochim. Acta. 2021. V. 389. 138768. https://doi.org/10.1016/J.ELECTACTA.2021.138768
  21. Filippov A.N. Asymmetry of current-voltage characteristics of ion-exchange membranes: Model of charge density of fixed groups linear by membrane thickness // Russ. J. Electrochem. 2017. V. 53. P. 257–269. https://doi.org/10.1134/S1023193517030053/METRICS
  22. Kusoglu A., Weber A.Z. New insights into perfluorinated sulfonic-acid ionomers // Chem. Rev. 2017. V. 117. P. 987–1104. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00159
  23. Lim J.H., Hou J., Kim W.Y., Wi S., Lee C.H. The relationship between chemical structure of perfluorinated sulfonic acid ionomers and their membrane properties for PEMEC application // Int. J. Hydrogen Energy. 2024. V. 49. P. 794–804. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2023.09.131
  24. Сафронова Е.Ю., Ильин А.Б., Лысова А.А., Ярославцев А.Б. Влияние модификации поверхности углеродсодержащими фрагментами на размер, свойства и морфологию частиц оксида кремния // Неорганические материалы. 2012. № 48. С. 437–442.
  25. Mikheev A.G., Safronova E.Y., Yurkov G.Y., Yaroslavtsev A.B. Hybrid materials based on MF-4SC perfluorinated sulfo cation-exchange membranes and silica with proton-acceptor properties // Mendeleev Commun. 2013. V. 23. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2013.03.002
  26. Kononenko N.A., Shkirskaya S.A., Rybalko M.V., Zotova D.A. The Influence of Inert Fluoropolymer on Equilibrium and Dynamic Hydration Characteristics of MF-4SC Membrane // Colloid J. 2023. V. 85. P. 908–916. https://doi.org/10.1134/S1061933X23600732/FIGURES/7
  27. Novikova S.A., Safronova E.Y., Lysova A.A., Yaroslavtsev A.B. Influence of incorporated nanoparticles on the ionic conductivity of MF-4SC membrane // Mendeleev Commun. 2010. V. 20. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2010.05.011
  28. Stenina I.A., Yaroslavtsev A.B. Ionic Mobility in Ion-Exchange Membranes // Membranes (Basel). 2021. V. 11. P. 198. https://doi.org/10.3390/membranes11030198
  29. Larchet C., Nouri S., Auclair B., Dammak L., Nikonenko V. Application of chronopotentiometry to determine the thickness of diffusion layer adjacent to an ion-exchange membrane under natural convection // Adv. Colloid Interface Sci. 2008. V. 139. P. 45–61. https://doi.org/10.1016/J.CIS.2008.01.007
  30. Porozhnyy M.V., Shkirskaya S.A., Butylskii D.Y., Dotsenko V.V., Safronova E.Y., Yaroslavtsev A.B., Deabate S., Huguet P., Nikonenko V.V. Physicochemical and electrochemical characterization of Nafion®-type membranes with embedded silica nanoparticles: Effect of functionalization // Electrochim. Acta. 2021. V. 370. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137689

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема измерения диффузионной проницаемости гибридных мембран с градиентным распределением допанта в зависимости от ориентации по отношению к диффундирующему раствору.

Скачать (161KB)
Метаданные
3. Рис. 2. ПЭМ-микрофотография гибридной мембраны МФ-4СК. Состав модифицированного слоя: МФ-4СК + 3 мас.% SiO₂(5 мольн.% 3-(2-имидазолин-1-ил)пропил-, R2). Концентрация модифицирующих групп рассчитана от концентрации SiO₂ в модифицированном слое.

Скачать (502KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость протонной проводимости от температуры для мембран МФ-4СК с различным содержанием SiO₂ в модифицированном слое (а) и мембран, содержащих в модифицированном слое 3 мас.% SiO₂ с модифицированной поверхностью с группами 3-аминопропила- (R1) и 3-(2-имидазолин-1-ил)пропила- (R2) (б). Состав модифицированного слоя приведен на рисунках. Изменения проведены в контакте с водой.

Скачать (351KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Диффузионная проницаемость исследуемых мембран (столбцы) в 0.1 М растворах HCl (а) и NaCl (б) и коэффициент асимметрии диффузионной проницаемости (точки) для мембран с неравномерным распределением допанта по всей толщине мембраны. Содержание гидратированного оксида кремния в модифицированном слое (мас.%) приведено на рисунке.

Скачать (334KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Схематичное изображение системы пор и каналов в мембране с немодифицированной (левая часть рисунка) и модифицированной (правая часть рисунка) стороны.

Скачать (579KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025