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In Situ Polymerization-Mediated Cross-Linking of the MOF Using Poly(1-vinylimidazole) in SPEEK Fuel Cells

高分子化学 磺酸 质子交换膜燃料电池 材料科学 聚合 化学工程 电导率 热稳定性 乙醚 吸附 芳烯 自由基聚合 聚合物 化学 复合材料 有机化学 芳基 烷基 物理化学 生物化学 工程类
作者
Madhuparna Ray,Paresh Kumar Samantaray,Yuvraj Singh Negi
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (7): 4704-4715 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsapm.3c00287
摘要

A unique zirconium-based microporous MOF-808 constructed from Zr6 nodes (Zr6O4(OH)4) and BTC (benzene-1,3,5-tricarboxylic acid) synthesized herein has been further tailored by radical in situ polymerization of 1-vinylimidazole alongside N,N′-methylene-bis(acrylamide) as the cross-linker after their adsorption inside MOF pore channels. The cross-linked architectures were incorporated as fillers at 2 and 4 wt % in sulfonated poly (ether ether ketone) (SPEEK) solution to formulate mixed-matrix composite Proton Exchange Membranes (PEMs). The composite membranes displayed considerably higher proton conductivity, improved fuel cell performance, and thermal stability than pristine SPEEK. The highly ordered crystal-controlled 3D polymeric cross-linked networks created in the MOF channels address the undesirable leaching associated with adding low-molecular-weight azoles in membranes. Additionally, it generates highly ordered long-range proton-conducting channels through the MOF pores. The acid–base interaction between the imidazole and sulfonic functional groups causes the conductivity of protons to increase to 0.05 S/cm at 80 °C and 70% RH for the S4P3M membrane containing 4 wt % complex filler, which is 16.6-fold higher than that of pure SPEEK. The membrane retains a proton conductivity of up to 0.04 S/cm at 100 °C and 40% RH, indicating its proton-conducting abilities at low humidity conditions. Furthermore, S4P3M achieves a peak power density of 310 mW/cm2 at 60 °C and 347 mW/cm2 at 80 °C under 70% relative humidity, which are higher than those in several other reported literature studies on SPEEK-based membranes.
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