Cast DNA/polyethyleneimine (PEI) blend membranes containing different amounts of DNA were prepared using acid-base interaction and characterized with the aim of understanding the polymer electrolyte membrane properties. Two different molecular weights of PEI were used to provide the mechanical strength, while DNA, a polyelectrolyte, was used for the proton transport channel. Proton conductivity was observed for the DNA/PEI membrane and reached approximately $3.0{\times}10^{-3}S/cm$ for a DNA loading of 16 wt% at $80^{\circ}C$. The proton transport phenomena of the DNA/PEI complexes were investigated in terms of the complexation energy using the density functional theory method. In the case of DNA/PEI, a cisoid-type complex was more favorable for both the formation of the complex and the dissociation of hydrogen from the phosphate. Since the main requirement for proton transport in the polymer matrix is to dissociate the hydrogen from its ionic sites, this suggests the significant role played by the basicity of the matrix.
Hong Seong Uk;Cheon Hun Sang;Kim Young Baik;Park Hun Hwee
Membrane Journal
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v.15
no.1
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pp.1-7
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2005
Polymer electrolyte membranes containing polysilsesquioxane (PSQ) spheres were prepared with the blend of sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK) (60%) and poly(ether sulfone) (PES) (40%). The amount of PSQ spheres was fixed at 10 wt%. The prepared polymer electrolyte membranes were characterized in terms of methanol permeability, proton conductivity, and ion exchange capacity. In all cases, both methanol permeability and proton conductivity of the polymer electrolyte membranes containing PSQ spheres were lower than the values of Nafion 117 and higher than those of SPEEK/PES (6:4) blend without PSQ spheres. The experimental results indicated that the polymer electrolyte membranes containing MS64 and VTMOS spheres were the best choice in terms of the ratio of proton conductivity to methanol permeability.
Park Sun-Mi;Choi Won-Choon;Nam Seung-Eun;Lee Kew-Ho;Oh Se-Young;Lee Chang-Jin;Kang Yong-Ku
Journal of the Korean Electrochemical Society
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v.9
no.2
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pp.89-94
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2006
Nafion/poly(ether(amino sulfone)) acid-base blend polymer electrolyte membranes were prepared and their proton conductivity and dimethyl ether permeability were investigated. Characteristics of direct dimethyl ether fuel cell (DDMEFC) performance using prepared blend membrane were studied. The increase of amine groups in the base polymer in composite membranes resulted in the decrease in dimethyl ether permeability. The proton conductivity of the blend membranes gradually increased as increasing temperature. The conductivity of Nafion/PEAS-0.6 (85:15) blend membranes was measured to be $1.42\times10^{-2}S/cm\;at\;120^{\circ}C$ which was higher than that of the recast Nafion. The performance of direct dimethyl ether fuel cell (DDMEFC) using the Nafion/PEAS blend membranes was higher than that using $Nafion^(R)115$ membrane. Enhanced performance of direct dimethyl ether fuel cells using Nafion/PEAS blend membrane was explained by reducing dimethyl ether (DME) crossover through the electrolyte membrane and maintenance of the proton conductivity at high temperature.
Sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK) was blended with poly(ether sulfone) (PES) at various compositions. To investigate the possibility of using the blend membranes as polymer electrolyte membranes for direct methanol fuel cell, the blend membranes were characterized in terms of methanol permeability, proton conductivity, ion exchange capacity, and water content. Both proton conductivity and methanol permeability of SPEEK were relatively high. As the amount of PES increased, methanol permeability decreased more rapidly compared to proton conductivity. The experimental results indicated that the blend membrane with 40 wt% PES was the best choice in terms of the ratio of proton conductivity to methanol permeability.
Polymer electrolyte membranes, featuring ionic channels, were prepared from sulfonated dextran/ poly(vinyl alcohol) (sD/PVA) membranes. A stiff sulfated dextran was chosen as the route for ionic transport, since ionic sites are located along the stiff dextran main chain. The sD/PVA blend membranes were annealed and then chemically crosslinked. The characteristics of the crosslinked sD/PVA membranes were investigated to determine their suitability as proton exchange membranes. The proton conductivity was found to increase with increasing amounts of sD inside the membrane, which reached a maximum and then decreased when the sD content exceeded 30 wt%, while the methanol permeability increased with increasing sD content. The good dispersion of sD inside the membrane, which serves as an ionic channels mimic, played a significant role in proton transportation.
Gel polymer electrolyte membranes were prepared from blends of polyvinyl alcohol (PVA) and poly (acrylic acid) (PAA), by solution-cast technique. The PAA content in the blend varied from 30 to 80 wt%. With the gel polymer electrolyte membranes, Zn air batteries were fabricated. The gel polymer electrolyte membranes were characterized by means of stress-strain test, impedance test. The Zn air batteries were tested by current interrupt method and galvanostatic discharge method. The tensile strength and tensile modulus decreased with increasing PAA content in the gel polymer electrolyte membrane. On the other hand, the ionic conductivity increased with increasing PAA content. The effect of ionic conductivity trend of the gel polymer electrolyte membrane in the Zn air battery was confirmed through current interrupt method and galvanostatic discharge method experiments. The battery with higher PAA content gel polymer electrolyte membrane showed lower IR drop and higher discharge capacity.
Poly(ether ether ketone)(PEEK) was sulfonated using sulfuric acid and blended with polysulfone with various ratios. The blended polymer electrolyte membranes were characterized in terms of methanol permeability, proton conductivity and ion exchange capacity. As the amount of sulfonated PEEK increased, both methanol permeability and proton conductivity increased. This was due to the increase of ion exchange capacity. The experimental results indicated that the blend membrane with 20% polysulfone was the best choice In terms of the ratio of proton conductivity to methanol permeability.
Proton conducting solid polymer electrolyte (SPE) membranes have been used in many energy technological applications such as water electolysis, fuel cells, redox-flow battery, and other electrochemical devices. The availability of stable membranes with good electrochemical characteristics as proton conductivity at high temperatures above 80 $^{\circ}C$ and low cost are very important for its applications. However, the presently available perfluorinated ionomers are not applicable because of high manufacturing cost and high temperature use to the decrease in the proton conductivity and mechanical strength. In order to make up for the weak points, the block copolymer (BPSf) of polysulfone and poly (phenylene sulfide sulfone) were synthesized and sulfonated. The electrolyte membranes were prepared with phosphotungstic acid (HPA)/sulfonated BPSf via solution blending. This study would be desirable to investigate the interaction between the HPA and sulfonated polysulfone. The results showed that the characteristics of SPSf/HPA blend membrane was a better than Nafion at high temperature, 100 $^{\circ}C$. These membranes proved to have a high proton conductivity, $6.29{\times}10-2$ S/cm, a water content, 23.9%, and a ion exchange capacity, 1.97 meq./g dry membrane. Moreover, some of the membranes kept their high thermal and mechanical stability.
Proton conducting crosslinked membranes were prepared using polymer blends of polystyrene-b-poly(hydroxyethyl acrylate)-b-poly(styrene sulfonic acid) (PS-b-PHEA-b-PSSA) and poly(vinyl alcohol) (PVA). PS-b-PHEA-b-PSSA triblock copolymer at 28:21:51 wt% was synthesized sequentially using atom transfer radical polymerization (ATRP). FT-IR spectroscopy showed that after thermal ($120^{\circ}C$, 2 h) and chemical (sulfosuccinic acid, SA) treatments of the membranes, the middle PHEA block of the triblock copolymer was crosslinked with PVA through an esterification reaction between the -OH group of the membrane and the -COOH group of SA. The ion exchange capacity (IEC) decreased from 1.56 to 0.61 meq/g with increasing amount of PVA. Therefore, the proton conductivity at room temperature decreased from 0.044 to 0.018 S/cm. However, the introduction of PVA resulted in a decrease in water uptake from 87.0 to 44.3%, providing good mechanical properties applicable to the membrane electrode assembly (MEA) of fuel cells. Transmission electron microscopy (TEM) showed that the membrane was microphase-separated with a nanometer range with good connectivity of the $SO_3H$ ionic aggregates. The power density of a single $H_2/O_2$ fuel cell system using the membrane with 50 wt% PVA was $230\;mW/cm^2$ at $70^{\circ}C$ with a relative humidity of 100%. Thermogravimetric analysis (TGA) also showed a decrease in the thermal stability of the membranes with increasing PVA concentration.
In order to improve the electrochemical, mechanical and electrocatalytic characteristics, engineering plastic of polyether ether ketone (PEEK) as polymer matrix was sulfonated (SPEEK) and the organic-inorganic blend composite membranes has been prepared by loading heteropoly acids (HPAs), including tungstophosphoric acid (TPA), molybdophosphoric acid (MoPA), and tungstosilicic acid (TSiA). And then these were covalently cross-linked (CL-SPEEK/HPA) as the electrolyte and MEA of polymer electrolyte membrane electrolysis (PEME). As a result, the optimum reaction conditions of CL-SPEEK/HPA was established and the electrochemical characteristics such as ion conductivity ($\sigma$) were in the order of magnitude: CL-SPEEK /TPA30 (${\sigma}=0.128\;S/cm^{-1}$) < /MoPA40 (${\sigma}=0.14\;S/cm^{-1})$ < /TSiA30 (${\sigma}=0.22\;S/cm^{-1}$) at $80^{\circ}C$, and mechanical characteristics such as tensile strength: CL-SPEEK /TSiA30 $\fallingdotseq$ /MoPA40 < /TPA30. Consequently, in regards of above characterisitics and oxidation durability, the CL-SPEEK/TPA30 exhibited a better performance in PEME than the others, but CL-SPEEK/MoPA40 showed the best electrocatalytic activity of cell voltage 1.71 V among the composite membranes. The dual effect of higher proton conductivity and electrocatalytic activity with the addition of HPAs, causes a synergy effect.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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