دانلود ترجمه مقاله غشاهای آمیخته حل شونده یونی مشتق شده از پلی ساتین برای الکترولیز آب قلیایی (ساینس دایرکت – الزویر ۲۰۲۳)

غشاهای آمیخته حل شونده یونی مشتق شده از پلی ساتین برای الکترولیز آب قلیایی

Polyisatin derived ion-solvating blend membranes for alkaline water electrolysis

چکیده
۱- مقدمه
۲- روند آزمایشات
۳- نتایج و بحث
۴- نتیجه گیری
منابع

چکیده
توسعه غشاهایی بر مبنای خواص شیمیایی اسکلت پلی آروماتیکی که از خواص مقاومت قلیایی زیاد، رسانایی یونی زیاد و انتقال ناچیز گاز برای الکترولیز آب قلیایی برخوردار باشند، یک چالش بزرگ بشمار میرود. از اینرو یک منومر آروماتیک جدید پایدار قلیایی حاوی گروههای جانبی یون-حلالپوش پلی اتیلن اکسید (PEO) سنتز شد و با ایزاتین و بی فنیل از روش هیدروکسی آلکیلاسیون کاتالیز شده با سوپر اسید پلیمریزه شد تا کوپلیمرهای یون-حلالپوش ارائه دهد. کوپلیمرهای آروماتیک تهیه شده با اسکلتی عاری از آریل اتر (P(IB-PEO)-y)، از خواص عالی تشکیل فیلم، پایداری حرارتی زیاد، جذب متوسط الکترولیت KOH و رسانایی نسبتاً پایین برخوردار هستند. بنابراین برای توسعه بیشتر جذب الکترولیت و رسانایی یونی، کوپلیمرهای P(IB-PEO)-20 با پلی بنز ایمیدازول با نسبت ۲۰/۸۰، ۳۰/۷۰، ۴۰/۶۰ و ۵۰/۵۰ مخلوط شدند. غشاهای مخلوط تهیه شده میتوانند الکترولیت زیادی را (تا ۹۷ wt%) جذب کنند و بیشترین رسانایی یونی ۱۱۰ mS〖cm〗^(-۱) در ℃۸۰ برای مخلوط PBI80/P(IB-PEO) مشاهده شده است. غشای PBI70/P(IB-PEO) آغشته به محلول KOH یک مقاومت کششی ۲۰MPa و افزایش قابل توجهی در مدول یانگ (۱۳۱%) در مقایسه با غشای PBI80/P(IB-PEO) نشان میدهد. تست پایداری قلیایی شرح داده است که غشای PBI80/P(IB-PEO) اساساً مدول یانگ بزرگتری (افزایش ۱۴۴%) پس از یک ماه در محلول KOH 20wt% در ℃۸۰ نسبت به همتای عمل نیامده خود نشان میدهد. همچنین غشاهای PBI80/P(IB-PEO) و PBI70/P(IB-PEO) حدود ۹۸-۹۶ درصد از رسانایی ذاتی خود را پس از عمل آوری حفظ میکنند که نشاندهندۀ مقاومت قلیایی عالی آنهاست. غشاهای منتخب در یک الکترولایزر سلول واحد برای ارزیابی امکانسنجی و رفتار انتقال گاز مورد آزمایش قرار گرفتند. 

۲- روند آزمایشات
۲-۱- مواد
پودر و غشاهای m-PBI از طریق تکنولوژیهای Blue Word تامین شدند. پلی (اتیلن اکسید) متیل اتر توسیلات، ۲و۵-دی برمو هیدروکینون، و ۲و۵-دی برمو-۱و۴-بیس(متوکسی پلی اتیلن اکسید) بنزن طبق یک روش مشخص سنتز شدند [۴۲, ۴۳]. بنزن بورونیک اسید (۹۸%، کمپانی آلفا ایسر)، بیس(تری فنیل فسفین) پالادیم (II) دی کلرید (۹۹/۹۹ %، سیگمال آلدریچ)، پتاسیم کربنات (۹۹%، K_2 〖CO〗_۳)، بی فنیل (۹۹% ، آلفا ایسر)، P-تولوئن سولفونیل کلرید (TsCl ، ۹۸%، سیگما آلدریچ)، ایزاتین (۹۸% ، آلفا ایسر)، تری فلورواستیک اسید (TFA، ۹۹% ، آلفا ایسر)، تری فلورومتان سولفونیک اسید (TFSA ، ۹۹%، شرکت فلوروکم)، پتاسیم هیدروکسید (بیش از ۸۵ حبه، شرکت مرک)، N,N-دی متیل استامید (DMA ، ۵/۹۹ %، شرکت شارلب)، تولوئن (شارلب)، اتیل استات (سیگما آلدریچ)، متانول (سیگما آلدریچ)، دی کلرومتان (شارلب)، N,N-دی متیل فرمامید-d_7 (50/99 اتم درصد، Deutro DE) کلروفرم-d (80/99 اتم درصد، Deutro DE) همگی به صورت دست نخورده مورد استفاده قرار گرفتند. نیکل فوم (اندازه حفره ۴۵۰μm، ضخامت ۱۱٫۶ mm) از آلانتوم خریداری شد.

۲-۲- سنتز منومر p–ترفنیل عاملدار با گروه جانبی PEO
همانطور که شمای مولکولی ۱ نشان میدهد منومر p–ترفنیل عاملدار با گروه جانبی PEO در سه مرحله سنتز میشود. دو مرحله اول شامل توسیلاسیون پلی (اتیلن گلیکول) متیل اتر و سپس واکنش با ۲و۵-دی برموبنزن-۱و۴-دی اُل است که پیشتر توسط گروه ما شرح داده شد [۴۲, ۴۳]. در مرحله بعد، محصول ۲و۵-دی برمو-۱و۴-بیس (متوکسی پلی (اتیلن اکسید)) بنزن با فنیل بورونیک اسید از طریق واکنش جفت شدگی Suzuki واکنش میدهد تا منومر مورد نظر بدست آید. شرح این سنتز بدین صورت است: ۲و۵-دی برمو-۱و۴-بیس(متوکسی پلی (اتیلن اکسید)) بنزن (۷٫۶۷g, 8.24 mmol, 1eq)، بنزن بورونیک اسید (۳٫۰۱g, 24.7 mmol, 3eq)، PdCl_2 (PPh_3 )_2 (0.3g, 0.41 mmol, 0.05eq)، محلول آبی ۲M K_2 〖CO〗_۳ (۲۰۰ml) و تولوئن (۴۲ ml) به یک فلاسک خشک گاززدایی شده اضافه شدند. مخلوط واکنش تحت رفلاکس به مدت ۲۴ ساعت حرارت داده شد. پس از خنک شدن در دمای اتاق، فاز آبی از فاز آلی جدا شد. فاز آبی با تولوئن استخراج شد و فازهای آلی ترکیب شده، با آب و آب نمک شسته شدند و سپس با MgSO_4 خشک شده و در شرایط خلاء تغلیظ شدند. محصول روغنی قهوه ای روشن بدست آمده با تکنیک کروماتوگرافی ستونی (تولوئن/ اتیل استات ۱:۱) تخلیص و با بازدهی ۷۶% جدا شد.

۲-۳- سنتز کوپلیمرهای P(IB-PEO)-y
کوپلیمرهای آروماتیک حاوی ایزاتین و عاملیت PEO جانبی از طریق پلیمریزاسیون رشد مرحله ای کاتالیز شده با سوپر اسید سنتز شدند. یک مثال از تهیه پلیمر در ادامه آمده است. ایزاتین (۲٫۹۷ mmol, 0.44 g)، بی فنیل (۲٫۱۶ mmol, 0.33g)، p-ترفنیل PEO (0.54 mmol, 0.5g) و TFA (3.3ml) درون یک فلاسک خشک تخلیه شده از گاز به یکدیگر اضافه شدند، با کمک یک حمام یخ ℃۵-۰ خنک شده و به مدت ۵/۰ ساعت همزده شدند. سپس به مخلوطی که در دمای اتاق با همزدن شدید به مدت ۴ ساعت رها شده بود ۳٫۸ml از TFSA به تدریج اضافه شد تا یک محلول سبز پررنگ بسیار ویسکوز بدست آید. سپس این محلول درون متانول ته نشین شد و یک پلیمر رشته ای نارنجی رنگ تشکیل گردید. پلیمر فیلتر شد، با متانول داغ شسته شد و نهایتاً تمام طول شب در آون خلاء در ℃۸۰ خشک شد و با بازدهی ۹۳-۸۶ % جدا گردید. کوپلیمرهای سنتز شده از این لحظه به بعد P(IB-PEO)-y شناخته میشوند که y به درصد مولی منومر p–ترفنیل عاملدار جانبی PEO اشاره میکند و IB مخفف واحد بی فنیل-ایزاتین است.