Proton-conducting copolymers, blends and composites with phosphonic acid as protogenic group

ABSTRACT: In this work, proton conducting copolymers, polymer blends and composites containing phosphonic acid groups have been prepared. Proton conduction mechanisms in these materials are discussed respectively in both, the anhydrous and humidified state. Atom transfer radical copolymerization (ATRCP) of diisopropyl-p-vinylbenzyl phosphonate (DIPVBP) and 4-vinyl pyridine (4VP) is studied for the first time in this work. The kinetic parameters are obtained by using the 1H-NMR online technique. Proton conduction in poly(vinylbenzyl phosphonic acid) (PVBPA) homopolymer and its statistical copolymers with 4-vinyl pyridine (poly(VBPA-stat-4VP)s) are comprehensively studied in both, the “dry” and “wet” state. Effects of temperature, water content and polymer composition on proton conductivities are studied and proton transport mechanisms under various conditions are discussed. The proton conductivity of the polymers is in the range of 10-6-10-8 S/cm in nominally dry state at 150 oC. However, proton conductivity of the polymers increases rapidly with water content in the polymers which can reach 10-2 S/cm at the water uptake of 25% in the polymers. The highest proton conductivity obtained from the polymers can even reach 0.3 S/cm which was measured at 85oC with 80% relative humidity in the measuring atmosphere. Poly(4-vinyl pyridine) was grafted from the surface of SiO2 nanoparticles using ATRP in this work for the first time. Following this approach, silica nanoparticles with a shell of polymeric layer are used as basic particles in a polymeric acidic matrix. The proton conductivities of the composites are studied under both, humidified and dry conditions. In dry state, the conductivity of the composites is in the range of 10-10~10-4 S/cm at 150 oC. While in humid state, the composites show much higher proton conductivity. The highest proton conductivity obtained with the composites is 0.5 S/cm measured at 85oC with 80% relative humidity in the measuring atmosphere. The miscibility of poly (vinyl phosphonic acid) and PEO is studied for the first time in this work and a phase diagram is plotted based on a DSC study and optical microscopy. With this knowledge, homogeneous PVPA/PEO mixtures are prepared as proton-conducting polymer blends. The mobility of phosphonic acid groups and PEO in the blends is determined by 1H-MAS-NMR in temperature dependent measurements. The effect of composition and the role of PEO on proton conduction are discussed.

Phosphonsäurehaltige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für Anwendungen in Brennstoffzellen

Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung phosphonsäurehaltiger, organischer Kristalle als ionenleitende Verbindungen in Brennstoffzellen-Anwendungen. Sie zielt dabei einerseits auf die Darstellung von protonenleitenden Polyphenylenverbindungen und deren Verwendung als Linker für den Aufbau protonenleitender Aluminium-Phosphonat-Netzwerke ab und behandelt andererseits die Einführung stark polarer Phosphonsäuregruppen in einen diskreten Nanographenkern sowie deren Einfluss auf die ionen- und elektronenleitenden Eigenschaften, um diese als gemischt-leitende Kompatibilisatoren an der isolierenden Elektrode/ Membran-Grenzfläche in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Am Beispiel eines phosphonsäurefunktionalisierten, phenylenisch-expandierten Hexaphenylbenzols konnte ein solvothermisch stabiler Protonenleiter mit einer Selbstorganisation in kolumnare, supramolekulare Strukturen und hoher, temperaturunabhängiger Leitfähigkeit mit dominierendem Grotthuss-Anteil präsentiert werden. Durch einen Wechsel dieser 1D-radialen Phosphonsäureanordnung in der Molekülhülle hin zu 2D- und 3D-H2PO3-funktionalisierten, dendritischen Stäbchen- bzw. Kugelstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine kolumnare Molekülanordnung jedoch kein notwendiges Kriterium für einen Grotthuss-artigen Protonentransport darstellt. Durch die mehrdimensionale Orientierung der Phosphonsäuren in der Außenhülle der Dendrimere garantieren die synthetisierten Strukturen hochaggregierte Phosphonsäurecluster, die als dichtes Säurekontinuum die eigentlichen protonenleitfähigen Kanäle darstellen und somit als entscheidendes Kriterium für das Auftreten eines Grotthuss-artigen Mechanismus definiert werden müssen. Eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit konnte durch den Aufbau poröser, organisch-anorganischer Netzwerke (Al-HPB-NETs) über Komplexierung einer unterstöchiometrischen Menge an Aluminium-Kationen mit der Polyphosphonsäureverbindung Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol als Linkereinheit erfolgen, die anschließend mit kleinen intrinsischen Protonenleitern wie Phosphonsäure dotiert wurden. Diese dotierten Netzwerke wiesen außergewöhnliche Leitfähigkeit auf, da sie die σ-Werte des Referenzpolymers Nafion® bereits in einem Temperaturbereich oberhalb von 135°C übertrafen, aber gleichzeitig ein sehr gutes Säureretentionsverhalten von einem Gew.-% Säuredesorption über eine Immersionsdauer von 14 h gegenüber wässrigem Medium zeigten. Durch Mischen dieser Aluminiumphosphonate mit einer dotierten Polymermatrix wie PBI konnten synergistische Effekte durch zusätzliche attraktive H-Brückenbindungen zwischen molekular angebundener Phosphonsäure und mobiler H3PO4 an Hand eines signifikanten Leitfähigkeitsanstiegs für die resultierenden Membranen beobachtet werden. Die Protonenleitfähigkeit lag in diesen Materialien in dem gesamten untersuchten Temperaturbereich oberhalb von Nafion®. Durch das Einbringen der NETs in PBI konnte ebenfalls die Säureretention von PBI um etwa 9 % bei kurzen Immersionszeiten (bis 1 min) verbessert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die synthetische Kombination eines hydrophoben, elektronenleitenden Nanographenkerns mit einer, durch eine isolierende Peripherie getrennten, stark polaren, protonenleitenden Außenhülle realisiert. Am Beispiel von zwei phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylenen, die sich in Länge und Planarität der gewählten Peripheriebausteine unterschieden, sollten polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit gemischt protonen- und elektronenleitenden Eigenschaften hergestellt werden, die über Impedanzspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht wurden. Da es sich bei der Anwendung solcher gemischtleitenden Verbindungen um grenz-flächenaktive Substanzen handelt, die das ohne verbesserte Anbindung bestehende Dielektrikum zwischen Elektrode und protonenleitender Membran überbrücken sollen, wurde die Untersuchung eines möglichen Elektronentransportes durch eine Molekülmonolage ebenfalls über kombinatorische STM- und STS-Technik durchgeführt.