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Sulfonated poly (ether ether ketone)/MOF hybrid polymer electrolyte membrane with ultra-low methanol permeability for enhanced direct methanol fuel cell performance
Journal of Applied Polymer Science ( IF 2.7 ) Pub Date : 2024-05-27 , DOI: 10.1002/app.55749 Kumar Divya 1 , Huiyuan Liu 1 , Weiqi Zhang 1 , Qian Xu 1 , Huaneng Su 1
Journal of Applied Polymer Science ( IF 2.7 ) Pub Date : 2024-05-27 , DOI: 10.1002/app.55749 Kumar Divya 1 , Huiyuan Liu 1 , Weiqi Zhang 1 , Qian Xu 1 , Huaneng Su 1
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A novel hybrid polymer electrolyte membrane (PEM) was developed for direct methanol fuel cell (DMFC) applications by incorporating sulfonated poly (ether ether ketone) (SPEEK) with a chromium-based metal–organic framework (MOF), namely, BUT-8(Cr). The incorporation of BUT-8(Cr) significantly improved the dispersion of the MOF within the SPEEK matrix, leading to alterations in surface morphology and the creation of hydrophilic channels, as confirmed by SEM. Furthermore, the presence of an excess of sulfonic groups and the flexible structure of the MOF enhanced the physicochemical properties of the membrane, such as water uptake, proton conductivity and ion exchange capacity. Importantly, well-defined rigid coordination structure of MOF effectively blocks methanol migration, resulting in a notably low methanol permeability value of 1.6 × 10−7 cm2 s−1, compared to Nafion 117 (20 × 10−7cm2s−1). For practical DMFC operation, the hybrid membrane (~0.75 wt.% MOF) exhibited a maximum power density of 88.6mWcm−2 with current density of 434.04 mAcm−2, outperforming Nafion 117 (73.4mWcm−2 and 380 mAcm−2 respectively) at same conditions. Our results suggest that the prepared SPEEK-0.75 hybrid membrane holds a great promise as a PEM material for DMFC applications.
中文翻译：
磺化聚醚醚酮/MOF杂化聚合物电解质膜具有超低甲醇渗透性，可增强直接甲醇燃料电池性能
通过将磺化聚醚醚酮（SPEEK）与铬基金属有机骨架（MOF）相结合，开发了一种用于直接甲醇燃料电池（DMFC）应用的新型混合聚合物电解质膜（PEM），即BUT-8 （铬）。 SEM 证实，BUT-8(Cr) 的加入显着改善了 MOF 在 SPEEK 基质中的分散性，导致表面形态的改变和亲水通道的产生。此外，过量磺酸基的存在和MOF的柔性结构增强了膜的物理化学性质，例如吸水性、质子传导性和离子交换能力。重要的是，MOF明确的刚性配位结构有效地阻止了甲醇迁移，导致甲醇渗透率值显着降低，为1.6 × 10 −7 cm 2 s −1 ，与 Nafion 117 (20 × 10 −7 cm 2 s −1 ) 相比。对于实际的 DMFC 操作，杂化膜（约 0.75 wt.% MOF）的最大功率密度为 88.6mWcm −2 ，电流密度为 434.04 mAcm −2 ，优于 Nafion 117（73.4在相同条件下分别为 mWcm −2 和 380 mAcm −2 ）。我们的结果表明，所制备的 SPEEK-0.75 杂化膜作为 DMFC 应用的 PEM 材料具有广阔的前景。
更新日期：2024-05-27
中文翻译：
磺化聚醚醚酮/MOF杂化聚合物电解质膜具有超低甲醇渗透性，可增强直接甲醇燃料电池性能
通过将磺化聚醚醚酮（SPEEK）与铬基金属有机骨架（MOF）相结合，开发了一种用于直接甲醇燃料电池（DMFC）应用的新型混合聚合物电解质膜（PEM），即BUT-8 （铬）。 SEM 证实，BUT-8(Cr) 的加入显着改善了 MOF 在 SPEEK 基质中的分散性，导致表面形态的改变和亲水通道的产生。此外，过量磺酸基的存在和MOF的柔性结构增强了膜的物理化学性质，例如吸水性、质子传导性和离子交换能力。重要的是，MOF明确的刚性配位结构有效地阻止了甲醇迁移，导致甲醇渗透率值显着降低，为1.6 × 10 −7 cm 2 s −1 ，与 Nafion 117 (20 × 10 −7 cm 2 s −1 ) 相比。对于实际的 DMFC 操作，杂化膜（约 0.75 wt.% MOF）的最大功率密度为 88.6mWcm −2 ，电流密度为 434.04 mAcm −2 ，优于 Nafion 117（73.4在相同条件下分别为 mWcm −2 和 380 mAcm −2 ）。我们的结果表明，所制备的 SPEEK-0.75 杂化膜作为 DMFC 应用的 PEM 材料具有广阔的前景。
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