Yakıt pili uygulamaları için asit sübstitüe fosfazen katkılanmış polimerik azol esaslı membranların sentezi ve karakterizasyonu

Abstract

Günümüzde yakıt pilleri verimli, ekonomik ve çevreyle uyumlu enerji üretim teknolojileri olarak uygulama ve kullanım alanına sahiptir. Yakıt pillerinin bileşimi ve çalışma prensiplerine göre farklı çeşitleri olmakla beraber taşınabilir olmaları, yüksek enerji verimlilikleri ve yüksek güç yoğunlukları sebebiyle polimer elektrolit membran (PEM) yakıt pilleri (PEMYP) en önemli yakıt pilleri sınıfını oluşturmaktadır. Proton iletken bir malzeme olan proton değişim membranları PEMYP'nin kalbidir ve genellikle Dupont'un Nafion'u PEM olarak kullanılmaktadır. Fakat yüksek maliyeti, yüksek sıcaklıklardaki iletkenlik kaybı ve yüksek metanol geçirgenliği gibi bazı dezavantajlarının olması PEMYP'lerde kullanımını sınırlamaktadır. Bu tez çalışmasında, yakıt pillerinde alternatif olarak kullanılabilecek daha düşük maliyetli, yüksek sıcaklıklarda proton iletkenlik sağlayabilen asit sübstitüe fosfazen katkılı poliviniltriazol (PVT) esaslı kompozit membranların geliştirilmesi hedeflendi. Öncelikle etil-4-hidroksibenzensülfonat (1) ve 4-hidroksifenil dietilfosfonat (4) sentezlendi. Hekzaklorosiklotrifosfazenin nükleofilik sübstitüsyon reaksiyonu ile hekza(etil-4-oksibenzensülfonat)siklotrifosfazen (2) ve hekzakis(4-dietilfosfonatofenoksi)siklotrifosfazen (5) elde edildi. Hazırlanan bu bileşikler hidroliz edilerek hekza(4-oksibenzensülfonik asit)siklotrifosfazen (3) ve hekzakis(4-oksibenzenfosfonik asit)siklotrifosfazen (6) bileşikleri elde edildi. Diğer yandan 1-vinil-1,2,4-triazol monomerinden serbest radikal polimerizasyon yöntemi ile PVT sentezlendi ve bu polimer, asit sübstitüe fosfazenler (3) ve (6) ile farklı oranlarda katkılanarak altı farklı polimer kompozit membran elde edildi. Sentezlenen bu polimer ve kompozit membranların yapısal analizleri FT-IR, 1H ve 31P NMR teknikleri kullanılarak aydınlatıldı. Termal davranışları DSC ve TGA yöntemleri ile belirlendi. Ayrıca kompozit membranların iletkenlik özellikleri empedans spektroskopisi ile incelendi.Today, fuel cells have an application and usage as an efficient, economical and environmentally compatible energy generation technology. Although there are different types of fuel cells according to their composition and operating principles, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are one the most important type due to their portable, high energy efficiency and high power density properties. Proton exchange membranes, where are a proton conductive material is use as PEM, are the heart of PEMFC and often Dupont's Nafion is used. However, Nafion has some disadvantages such as high cost, conductivity loss at high temperatures and high methanol permeability, which limits its use in PEMFCs. In this thesis, it was aimed to develop acid substituted phosphazene doped polyvinyltriazole (PVT) based composite membranes that can provide proton conductivity at high temperatures, at a lower cost that can be used as an alternative in fuel cells. First, ethyl-4-hydroxybenzenesulfonate (1) and 4-hydroxyphenyl diethylphosphonate (4) were synthesized. Hexa(ethyl-4-oxybenzenesulfonate) cyclotriphosphazene (2) and hexa(4-diethylphosphonophenoxy) cyclotriphosphazene (5) were obtained by nucleophilic substitution reaction of hexachlorocyclotriphosphazene. These compounds were hydrolyzed to obtain hexa(4-oxybenzenesulfonic acid) cyclotriphosphazene (3) and hexakis(4-oxybenzenephosphonic acid) cyclotriphosphazene (6) compounds. On the other hand, PVT was synthesized from 1-vinyl-1,2,4-triazole monomer by free radical polymerization and this polymer is doped with (3) and (6) acid-substituted phosphazenes in different ratios to obtain six different polymer composite membranes. Structural analyzes of these synthesized polymer and composite membranes were investigated by FT-IR, 1H and 31P NMR techniques. Thermal behaviors were investigated by DSC and TGA methods. In addition, the conductivity properties of composite membranes were examined by impedance spectroscopy.