Synthesis and proton conductivity studies of azole-modified poly(glycidyl methacrylate)

Abstract

Polimer elektrolit membranlı yakıt pilleri (PEMFC) gibi temiz enerji kaynaklarında kullanıldığında yüksek verim elde etmek için yüksek sıcaklığa dayanıklı proton iletken membran geliştirilmesi önemli hale gelmiştir. Bu çalışmada, 1,2,4-triazol ve 5-aminotetrazol fonksiyonlu poli(glisidil metakrilat) polymerleri sentezlenmiştir ve triflorometane sulfonik asit (triflik asit) ve fosforik asit ile dop edildikten sonra nemsiz proton iletkenlik özellikleri incelenmiştir. Poli(glisidil metakrilat) (PGMA) serbest radikal polimerizasyonu ile üretilmiş ve sonra epoksi halkası açılarak 1H-1,2,4-triazol, 3-Amino-1,2,4-triazol ve 5-aminotetrazol ile modifiye edilmiştir. FT-IR, katı hal 13C CP-MAS NMR ve elemental analiz çalışmaları azole gruplarının polimer zincirine yüksek oranda immobilize edildiğini doğrulamaktadır. Fosforik asit dope edilen polimerler daha düşük Tg ve daha yüksek proton iletkenliğe sahipler. TGA analizi polimer elektrolitlerin en az 200 oC'ye kadar termal kararlılığa sahip olduklarını gösterdi. PGMATri4H3PO4 ve PGMAATet4H3PO4 nümunelerinin maksimum nemsiz proton iletkenlikleri yaklaşık 150 oC'de 0.01 S/cm ve PGMAATri2H3PO4 nümunesininki de aynı sıcaklıkta 0.001 S/cm'dir.

High temperature tolerant proton conducting membranes have become crucial for high efficiency during their application in clean energy resources such as polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). In this study, 1,2,4-triazole and 5-aminotetrazole functional poly(glycidyl methacrylate) polymers have been synthesized and their anhydrous proton conducting properties were investigated after doping with trifloromethane sulfonic acid (triflic acid) and phosphoric acid. Poly(glycidyl methacrylate) (PGMA) was prepared by conventional solution polymerization and then modified with 1H-1,2,4-triazole, 3-Amino-1,2,4-triazole and 5-aminotetrazole via ring opening of the epoxide ring. The FT-IR, solid state 13C CP-MAS NMR and elemental analysis studies verify the high immobilization of the azoles into the polymer chain. Phosphoric acid doped polymers showed lower Tg values and higher proton conductivities. TGA analysis showed thermal stability of the polymer electrolytes up to at least 200 oC. PGMATri4H3PO4 and PGMAATet4H3PO4 showed a maximum water-free proton conductivity of approximately 0.01 S/cm at 150 oC and that of PGMAATri2H3PO4 was 0.001 S/cm at 150 oC.