Novel Sulfonated Polyimide Ionomers by Incorporating Pyridine Functional Group in the Polymer Backbone

A series of sulfonated polyimides (SPIs) containing pyridine ring in the polymer backbone were synthesized by the polycondensation of 1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride (NTDA), 5-(2,6-bis(4-arninophenyl)pyridin-4-yl)-2-methoxy benzene sulfonic acid (SDAM), and 4,4'-diaminodiphenyl ether (ODA). Flexible, transparent, and tough membranes were obtained. Property study revealed that all the membranes displayed high thermal stability with the desulfonation and decomposition temperature higher than 290 and 540 degrees C, respectively, as well as good mechanical property with Young's modulus larger than 1.0 GPa, maximum strength (MS) on a scale of 60-80 MPa, and elongation at break (EB) ranged from 41.79 to 75.17%.

Blends based on sulfonated poly[bis(benzimidazobenzisoquinolinones)] and poly(vinylidene fluoride) for polymer electrolyte membrane fuel cell

A new blend system consisting of an amorphous sulfonated poly[bis(benzimidazobenzisoquinolinones)] (SPBIBI) and the semi-crystalline poly(vinylidene fluoride) (PVDF) was prepared for proton exchange membranes. The miscibility behavior of a series of blends of SPBIBI with PVDF at various weight ratios was studied by WXRD, DSC and FTIR. The properties of the blend membranes were investigated, and it was found that the introduction of PVDF in the SPBIBI matrix altered the morphological structure of the blend membranes, which led to the formation of improved connectivity channels. For instance, the conductivity of the blend membrane containing 10 wt% PVDF displayed the highest proton conductivity (i.e., 0.086 S cm(-1)) at room temperature, a value almost twofold that of the pristine SPBIBI membranes (i.e., 0.054S cm(-1)) under identical conditions.

Synthesis and property of a novel sulfonated poly(ether ether ketone) with high selectivity for direct methanol fuel cell applications

Bisphenol monomer 4-carboxylphenyl hydroquinone (4C-PH) containing carboxyl groups was synthesized by diazotization reaction of p-aminobenzoic acid and 1,4-benzoquinone and subsequent reductive reaction. Copolymerization of bisphenol A, 4C-PH, sodium 5,5'-carbonylbis(2-fluorobenzene-sulfonate) and 4,4'-difluorobenzophenone at various molar ratios through aromatic nucleophilic substitution reaction resulted in a new sulfonated poly(ether ether ketone) containing pendant carboxyl groups (C-SPEEK). The structures of the monomer 4C-PH and copolymers were confirmed by FT-IR and H-1 NMR. Flexible and transparent membranes with sulfonic and carboxylic acid groups as the proton conducting sites were prepared. The dependence of ion-exchange capacity (IEC), water uptake, proton conductivity and methanol permeability on the degree of sulfonation has been studied.

Highly conductive, methanol resistant fuel cell membranes fabricated by layer-by-layer self-assembly of inorganic heteropolyacid

Layer-by-layer (LBL) self-assembly is a simple and elegant method of constructing organic-inorganic composite thin films from environmentally benign aqueous solutions. In this paper, we utilize this method to develop proton-exchange membranes for fuel cells. The multilayer film is constructed onto the surface of sulfonated poly(arylene ether ketone) (SPAEK-COOH) membrane by LBL self-assembly of polycation chitosan (CTS) and negatively charged inorganic particle phosphotungstic acid (VIA). The highly conductive inorganic nanoparticles ensure SPAEK-COOH-(CTS/PTA)(n) membranes to maintain high proton conductivity values up to 0.086 S cm(-1) at 25 degrees C and 0.24S cm(-1) at 80 degrees C, which are superior than previous LBL assembled electrolyte systems.

Pore-filling membrane for direct methanol fuel cells based on sulfonated poly(styrene-ran-ethylene) and porous polyimide matrix

We have synthesized a porous co-polyimide film by coagulating a polyimide precursor in the non-solvent and thermal imidization. Factors affecting the morphology, pore size, porosity, and mechanical strength of the film were discussed. The porous polyimide matrix consists of a porous top layer and a spongy sub-structure with micropores. It is used as a porous matrix to construct sulfonated poly(styrene-ran-ethylene) (SPSE) infiltrated composite membrane for direct methanol fuel cell (DMFC) application. Due to the complete inertness to methanol and the very high mechanical strength of the polyimide matrix, the swelling of the composite membrane is greatly suppressed and the methanol crossover is also significantly reduced, while high proton conductivity is still maintained. Because of its higher proton conductivity and less methanol permeability, single fuel cell performance test demonstrated that this composite membrane outperformed Nafion membrane.

Synthesis and properties of polyquinolines and polyanthrazolines containing pyrrole units in the main chain

A series of eight new polyquinolines and polyanthrazolines with pyrrole isomeric units in main chain were synthesized and characterized. The new polymers showed high glass transition temperatures (T-g = 242-339 degreesC) and excellent thermal stability (T-5% = 398-536 degreesC in air, TGA). Compared to the series of polyanthrazolines, the series of polyquinolines exhibited higher thermal stability, better solubility in common organic solvents, and lower maximum absorption wavelengths (lambda(max)(a)). Polyanthrazolines with 2,5-pyrrole linkage showed an unusually high lambda(max)(a) (565 nm) and small band gap (2.02 eV). All polymers in solution had low photoluminescence quantum yields between 10(-2%) and 10(-5%) and excited-state lifetimes of 0.28-1.29 ns. The effects of molecular structure, especially pyrrole linkage structures, on the electronic structure, thermodynamics, and some of the optical properties of the polymers were explored. A model of hydrogen bonds in the main chain of the polymers was suggested to explain the difference in the properties of the isomer polymers. In addition, a polyquinoline (PBM) was chosen to examine the proton conductivity; the result indicated that the PBM/H3PO4 complex exhibited a high conductivity of 1.5 x 10(-3) S cm(-1) at 157 degreesC.

Stability and hydration studies of Y-Doped Ba(Ce,Zr)O3

BaC_e1-xYxO_3-δ (BCY) and BaCe_0.8-yZr_yY_0.2O_3-δ (BCZY) compounds were synthesised via an aqueous sol-gel method and two different calcination processes were tested for BCZY synthesis. The highest hydration capacity was recorded for the compound that contained the highest Y-doping level (x=0.2). Further substitution of Ce⁴⁺ by Zr⁴⁺ enhanced the chemical stability especially for y≥0.2, although decreased proton conductivity. However, BaCe_0.6-0.2Zr_0.2Y_0.2O_2.9 (BCZ20Y20) which presented adequate water uptake and high chemical stability in presence of CO₂, was found to be the best candidate compound to be used in applications such as electrocatalytic CO₂ hydrogenation.

Fabricação de filmes ultrafinos automontados para aplicações em células a combustível

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Wasserfreie, polymere Protonenleiter für Brennstoffzellen durch Immobilisierung von Imidazol

Es werden neuartige, polymere Protonenleiter vorgestellt die nach dem 'Konzept des polymergebunden Protonensolvens' realisiert wurden. Sie zeigen protonische Leitfähigkeit als intrinsische Eigenschaft, sodass keine zweite, flüssige Phase zur Protonenleitung nötig ist. Verwirklicht wurde das Konzept anhand von kammartigen Siloxanoligomeren und -polymeren, wobei Imidazol als Protonensolvens durch flexible Spacer kovalent an das Rückgrat gebunden ist. Durch Pfropfung mit imidazoltragenden Spacereinheiten wurden ferner Kieselgelnanopartikel oberflächenmodifiziert. Um die Auswirkungen der Immobilisierung von Imidazol auf die Leitfähigkeit zu untersuchen, wurden neben unterschiedlichen Molekulargewichten, die Verbindungen auch jeweils mit verschiedenen Spacerlängen synthetisiert. Die Materialien wurden umfassend charakterisiert und auf ihr thermisches Verhalten, Stabilität, Leitfähigkeit, Diffusion und dielektrisches Verhalten sowie auch nach Dotierung mit Säure untersucht. Thermisch stabil sind die Materialien bis ca. 200°C. Die Leitfähigkeiten betragen bis zu 1,5E-3 S/cm bei 160°C, welche aufgrund der Immobilisierung des Imidazols ausschließlich auf Strukturdiffusion zurückzuführen sind. Die Strukturdiffusion ist vergleichbar mit dem Grotthus-Mechanismus in Wasser und wird durch die lokale Mobilität der Imidazolmoleküle, d.h. durch die Glasübergangstemperatur des Systems bestimmt. Entsprechend wird das für Glasbildner typische Vogel-Tamman-Fulcher-Verhalten für alle untersuchten Transportprozesse gefunden. Die mit abnehmender Glasübergangstemperatur abnehmende mechanische Stabilität der Materialien kann, wie gezeigt ist, durch Compoundierung mit Kieselgelnanopartikeln entscheidend verbessert werden, was eine kostengünstige und aussichtsreiche Möglichkeit zur Herstellung von Membranen für Brennstoffzellen darstellt.

Wasserfreie Protonenleiter für Brennstoffzellen auf der Basis von Imidazol und Benzimidazol

Mit Hilfe von Brennstoffzellen wird eine effiziente Energieumwandlung von chemischer in elektrische Energie möglich. Die kommerziellen PEM-Brennstoffzellen benutzen Membra-nen, die zum Erreichen hoher Leitfähigkeiten eine wässrige Phase erfordern, in der der Proto-nentransport stattfindet. Somit wird die Betriebstemperatur durch den Siedepunkt des Wassers limitiert. Die verwendeten Pt-Katalysatoren zeigen bei niedrigen Temperaturen eine höhere Empfindlichkeit gegenüber CO, dass im Reformierungsprozess bei der Erzeugung von Was-serstoff entsteht. Austausch der wässrigen Phase gegen Heterozyklen, die ein zu Wasser ver-gleichbares Wasserstoffbrückennetzwerk aufbauen, in dem der Protonentransport stattfinden kann, ermöglicht eine höhere Betriebstemperatur. Durch das im Laufe des Brennstoffzellen-betriebs gebildete Wasser, können die Heterozyklen verdünnt bzw. komplett aus der Memb-ran ausgewaschen werden. Daher ist es erforderlich, die Ladungsträger an ein Polymerrück-grat zu binden, so dass sie eine hohe Beweglichkeit und Konzentration, die denen in der flüs-sigen Phase einer konventionellen Membran entsprechen, aufweisen. Diese Arbeit beschreibt die Synthese und Charakterisierung von Protonenleitern, die ohne eine flüssige Phase auskommen, da sie bereits protonische Leitfähigkeit als intrinsische Ei-genschaft zeigen. Es wurden verschiedene imidazol- bzw. benzimidazolhaltige Dimere und Polythiophene, in denen Benzimidazol in der Seitenkette über verschieden flexible Spacer mit dem Polymerrückgrat verbunden ist, synthetisiert. Die Materialien wurden in undotierten Zu-stand und nach Dotierung mit geringen Mengen Phosphorsäure umfassend charakterisiert und auf thermisches Verhalten, Stabilität und Leitfähigkeit untersucht. Die benzimidazolhaltigen Dimere weisen mit 250 °C die höchsten Zersetzungstemperaturen auf. Mit zunehmender Temperatur kann in allen Fällen eine Erhöhung der Leitfähigkeit beobachtet werden, die sich in der Arrhenius-Auftragung durch eine Gerade anpassen lässt, somit kann der Protonentrans-port durch einen Protonen-hüpfmechanismus beschrieben werden. Die höchste beobachtete Leitfähigkeit liegt im Bereich von 10-6 S/cm bei 160 °C. Durch Zusatz von Phosphorsäure kann die Leitfähigkeit z.T. um einige Größenordnungen gesteigert werden. Eine Ausnahme bilden die Polythiophene, die sowohl protonische als auch elektronische Leitfähigkeit besit-zen. Hier führt die Säure zu einer Lokalisierung der Ladungsträger, so dass die elektronische Leitfähigkeit eingeschränkt wird.

Synthesis and investigation of functional polymer materials

Funktionelle Materialien sind in einer Vielzahl von Materialklassen wie Polymeren, Biomaterialien, Gläsern, Metallen, Keramiken und Verbundwerkstoffen anzutreffen. Sie besitzen eine spezifische, intrinsische Funktion, welche auf dem zu Grunde liegenden Design der Verbindung beruht. In dieser Dissertation wurden zwei funktionelle Materialien studiert: ein durch Phosphonatadditive mechanisch verstärktes Epoxidharz und protonenleitende Blockcopolymere, welche Potential für den Einsatz in Brennstoffzellen besitzen. Die Materialien wurden vorranging mittels Festkörper Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) untersucht, welche sich besonders für die Untersuchung der lokalen Struktur und Dynamik amorpher Polymere eignet.rnrnPhosphonate sind eine neue Klasse sogenannter molekularer Verstärker, die die mechanischen und thermischen Kennzahlen geeigneter Epoxidharze erhöhen. Es wurde eine Reihe von Phosphonatderivaten synthetisiert um systematische den Effekt der chemischen Struktur und des Aushärteprozesses auf die Eigenschaften eines Modellepoxidharzes zu untersuchen. Die Aufklärung des Verstärkungsmechanismus ergab, dass die Phosphonate währen der thermischen Aushärtung des Epoxidharzes die Aminofunktionalitäten des Härters alkylieren. Dies führt zu der Bildung von homogen verteilten, positiven Ladungen auf der Polymerkette, während negative Phosphonatanionen als Gegenionen wirken. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur des Additivs einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des ausgehärteten Epoxidharzes sowie seine Alterung, d.h. den allmählichen Verlust der Verstärkung, hat.rnrnDes Weiteren wurde eine Serie von sulfonierten Blockcopolymeren synthetisiert. Es handelte sich hierbei um Multiblockcopolyimide, wobei die Polymerketten aus einer alternierenden Sequenz von sulfonierten (hydrophilen) und unsulfonierten (hydrophoben) Blöcken bestanden. Diese Polymere bilden nach einem ‚solvent cast‘ Prozess feste, duktile und transparente Membrane. Sulfonierte Blockcopolymermembrane zeigten im Vergleich mit statistisch sulfonierten Vergleichssubstanzen eine erhöhte Leitfähigkeit, sowie eine erhöhte Wasseraufnahme. Dies wurde auf eine bessere Phasenseparation im Festkörper zurückgeführt. Die Morphologie der Filme war eindeutig anisotrop und stark abhängig von der Blocklänge der Polymere. Durch diverse Festkörper-NMR Methoden konnte gezeigt werden, dass die Protonenmobilität in den Membranen von der betrachteten Längenskala abhängig ist und nicht notwendigerweise mit der makroskopisch beobachteten Leitfähigkeit korreliert.

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.

Signal relay between two integral membrane proteins: The sensory rhodopsin I/HtrI transducer molecular complex

The molecular complex of sensory rhodopsin I (SRI) and its transducer HtrI mediate color-sensitive phototaxis in the archaeon Halobacterium salinarum. Orange light causes an attractant response by a one-photon reaction and white light causes a repellent response by a two-photon reaction. Three aspects of this molecular complex were explored: (i) We determined the stoichiometry of SRI and HtrI to be 2:2 by gene fusion analysis. A SRI-HtrI fusion protein was expressed in H. salinarum and shown to mediate 1-photon and 2-photon phototaxis responses comparable to wild-type complex. Disulfide crosslinking demonstrated that the fusion protein is a homodimer in the membrane. Measurement of photochemical reaction kinetics and pH titration of absorption spectra established that both SRI domains are complexed to HtrI in the fusion protein, and therefore the stoichiometry is 2:2. (ii) Cytoplasmic channel closure of SRI by HtrI, an important aspect of their interaction, was investigated by incremental HtrI truncation. We found that binding of the membrane-embedded portion of HtrI is insufficient for channel closure, whereas cytoplasmic extension of the second HtrI transmembrane helix by 13 residues blocks proton conduction through the channel as well as full-length HtrI. The closure activity is localized to 5 specific residues, each of which incrementally contributes to reduction of proton conductivity. Moreover, these same residues in the dark incrementally and proportionally increase the pKa of the Asp76 counterion to the protonated Schiff base chromophore. We conclude that this critical region of HtrI alters the dark conformation of SRI as well as light-induced channel opening. (iii) We developed a procedure for reconstituting HtrI-free SRI and the SRI/HtrI complex into liposomes, which exhibit photocycles with opened and closed cytoplasmic channels, respectively, as in the membrane. This opens the way for study of the light-induced conformational change and the interaction in vitro by fluorescence and spin-labeling. Single-cysteine mutations were introduced into helix F of SRI, labeled with a nitroxide spin probe and a fluorescence probe, reconstituted into proteoliposomes, and light-induced conformational changes detected in the complex. The probe signals can now be used as the readout of signaling to analyze mutants and the kinetics of signal relay. ^

Characterization of titanium phosphate as electrolytes in fuel cells

Titanium phosphate is currently a promising material for proton exchange membrane fuel cells applications (PEMFC) allowing for operation at high temperature conditions. In this work, titanium phosphate was synthesized from tetra iso-propoxide (TTIP) and orthophosphoric acid (H3PO4) in different ratios by a sol gel method. High BET surface areas of 271 m(2).g(-1) were obtained for equimolar Ti:P samples whilst reduced surface areas were observed by varying the molar ratio either way. Highest proton conductivity of 5.4 x 10(-2) S.cm(-1) was measured at 20 degrees C and 93% relative humidity (RH). However, no correlation was observed between surface area and proton conductivity. High proton conductivity was directly attributed to hydrogen bonding in P-OH groups and the water molecules retained in the sample structure. The proton conductivity increased with relative humidity, indicating that the Grotthuss mechanism governed proton transport. Further, sample Ti/P with 1:9 molar ratio showed proton conductivity in the order of 10(-1) S.cm(-1) (5% RH) and similar to 1.6x10(-2) S.cm(-1) (anhydrous condition) at 200 degrees C. These proton conductivities were mainly attributed to excess acid locked into the functionalized TiP structure, thus forming ionisable protons.