Preparation and characterization of sulfonimide substituted polyphosphazene membranes

Abstract

Fosil yakıtlara alternatif, temiz enerji teknolojileri arasında Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücreleri (PEMFC), yüksek enerji ve güç yoğunluğuna sahip olmasından dolayı elektrikli araçlar ve mobil teknoloji alanında en çok tercih edilen ve gelişmeye açık yakıt hücresi türüdür. PEMFC'lerin en önemli malzemelerinden biri de proton iletken membranlardır. Bu tez kapsamında, yakıt hücrelerinde PEM olarak kullanılabilecek, farklı iyonlaşma derecelerine sahip yeni proton iletken membranların hazırlanması ve karakterize edilmesi amaçlandı. Bu doğrultuda, 4-hidroksi-N(triflorometilsülfonil)benzensülfonamit ve 4-hidroksi-N(fenilsülfonil)benzensülfonamit reaktifleri literatürden farklı bir yöntem kullanılarak sentazlendi. Elde edilen sülfonimit reaktifleri, 4-metilfenol ve 4-triflorometilfenol ile farklı oranlarda olacak şekilde, sentezlenen polidiklorofosfazen ile reaksiyona sokularak hedeflenen malzemelere ulaşıldı.4-hidroksi-N(fenilsülfonil)benzensülfonamit reaktifinin beklenenden farklı bir mekanizma göstediği tespit edildi. Bu mekanizmayı açıklamak amacıyla polidiklorofosfazen için model bileşik olan hekzaklorosiklotrifosfazen; 4-hidroksi-N(fenilsülfonil)benzensülfonamit, 4-asetoksi-N(fenilsülfonil)benzensülfonamit, 4-metil-N(fenilsülfonil)benzensülfonamit ve fenil asetat bileşikleriyle reaksiyona sokuldu ve asetil uç grubuna sahip reaktifler için uygun olan bir mekanizma önerildi. Sentezlenen polimerlerin yapısı FT-IR, 1H, 13C ve 31P NMR teknikleri kullanılarak aydınlatıldı. Termal özellikleri TGA yöntemi ile incelendi. Elde edilen bu malzemelerin iyon değiştirme kapasiteleri titrasyon metodu ile ölçüldü. Fenton reaktifi kullanılarak oksidatif kararlılıkları belirlendi. Sıcaklığa bağlı proton iletkenlikleri empedans spektroskopisi ile incelendi. Bunlara ek olarak elde edilen malzemelere su tutma kapasitesi ve su temas açısı ölçümleri uygulandı.Due to its high energy and power density, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) is the most favoured and open to development fuel cell type in the field of electric vehicles and mobile technology among the clean energy technology alternatives to fossil fuels. Proton conductive membranes are one of the most essential materials in PEMFCs. In this thesis, it was aimed to prepare and characterize new proton conductive membranes with different ionization degrees that can be used as PEM in fuel cells. 4-hydroxy-N(trifluoromethylsulfonyl)benzenesulfonamide and 4-hydroxy-N(phenylsulfonyl)benzenesulfonamide reagents were synthesized using a different method from the literature. The targeted materials were reached by reacting the obtained sulfonimide reagents with 4-methylphenol and 4-trifluoromethylphenol in different ratios with polydichlorophosphazene. It was determined that the 4-hydroxy-N(phenylsulfonyl) benzenesulfonamide reagent showed a different mechanism than expected. To explain this mechanism, hexachlorocyclotriphosphazene, the model compound for polydichlorophosphazene was reacted with 4-hydroxy-N(phenylsulfonyl)benzenesulfonamide, 4-acetoxy-N(phenylsulfonyl) benzenesulfonamide, 4-methyl N(phenylsulfonyl) benzenesulfonamide and phenyl acetate compounds, and a mechanism suitable for reagents with an acetyl functionality was proposed. The structure of the synthesized polymers was elucidated using FT-IR, 1H, 13C and 31P NMR techniques. Thermal properties were investigated by TGA method. The ion exchange capacities were measured by the titration method. Oxidative stability measurements was determined using Fenton's reagent. Temperature-dependent proton conductivity measurements were investigated by impedance spectroscopy and water uptake and water contact angle measurements were applied to the obtained materials.