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Fabricating a MOF Material with Polybenzimidazole into an Efficient Proton Exchange Membrane

聚合物 电导率 质子交换膜燃料电池 材料科学 质子输运 高分子化学 质子 化学工程 化学 复合材料 工程类 物理 物理化学 生物化学 量子力学
作者
Subhabrata Mukhopadhyay,Anupam Das,Tushar Jana,Samar K. Das
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:3 (8): 7964-7977 被引量:96
标识
DOI:10.1021/acsaem.0c01322
摘要

Metal organic frameworks (MOFs) have received considerable importance as proton conducting materials in recent times. However, most of the MOFs lack the ability to form film, which limits their application. In the present work, polybenzimidazole (PBI) composite membranes have been prepared by loading post synthetically modified (PSM) UiO-66-NH2 MOFs, denoted as PSM 1 and PSM 2 into an aryl ether-type polybenzimidazole (OPBI) polymer. The pristine OPBI, and MOF nanofiller loaded membranes were doped with phosphoric acid (PA) to prepare proton exchange membranes (PEMs). Use of thermally stable, hydrophilic MOFs resulted in enhanced proton conductivity, higher PA retention capacity, and increased stability against oxidative degradation for the composite membrane than the pristine OPBI polymer. The proton conductivities of the composite membranes (0.29 S cm–1 for PSM 1-10% and 0.308 S cm–1 for PSM 2-10% membranes at 160 °C, under anhydrous environment) were notably higher than the conductivities of the constituents and also higher than most of the MOF based polymer supported membranes. To the best of our knowledge, the PA doped PSM 2 loaded composite membrane shows the highest proton conductivity at 160 °C among all MOF based composite membranes. Extensive interfacial H-bonding plays the most crucial role behind the enhanced proton conductivities of the PA doped MOF containing polymer membranes reported here. This work clearly demonstrates the benefits of using rationally designed PSM 1 and PSM 2 MOFs as nanofiller to prepare OPBI supported membranes that can perform excellent proton conduction in a wide temperature range spanning up to 160 °C. This provides a generalized approach toward achieving an efficient proton conducting membrane for use in fuel cells.
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