3. ΧΗΜΙΚΗ
ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ
ΕΝΕΡΓΕΙΑ
• Tο κελί καυσίμου είναι θεωρητικά μια διάταξη που μπορεί να δουλεύει όσο της παρέχεται
αέριο καύσιμο.
Η ηλεκτρολυτική μεμβράνη πρέπει :
• να αποτρέπει την ανάμιξη του οξειδωτικού μέσου με το καύσιμο
• να είναι πολύ λεπτή για να ελαχιστοποιούνται οι ωμικές αντιστάσεις
• να έχει υψηλή αγωγιμότητα
• μεγάλο χρόνο ζωής
4. NAFION DU PONT
Άγει πρωτόνια
Διάρκεια ζωής >60.000 hrs
Τα ρεύματα των αερίων πρέπει να είναι κορεσμένα σε H2O
PBI Polybenzimidazole ACID DOPED MEMBRANE
Απαιτεί χαμηλότερη συγκέντρωση σε νερό
Έχει αγωγιμότητα που φτάνει τα 0.05 Scm-1
Ο εμποτισμός με Η3PO4 μειώνει το χρόνο ζωής της μεμβράνης
Θερμοκρασία λειτουργίας 150-200oC
-Αύξηση του ρυθμού αντίδρασης στα
ηλεκτρόδια
-Δυσκολότερη η δηλητηρίαση
από CO [(10ppm120οC)(100.000
200oC)]
-Αυξάνεται το δυναμικό λειτουργίας
-Ανάκτηση θερμότητας
-Διάβρωση
-Συσσωμάτωση και
επανακρυστάλλωση του καταλύτη
-Cross over του καυσίμου(Η2)
5. Περιγραφή Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα
PFSA-basedmembranes
Γραφιτικά πολυμερή Μείωση του crossover του
καυσίμου
Περιορισμένη θερμική
σταθερότητα
SOLVAY SOLEXIS συμπολυμερή TFE με μικρές
πλευρικές ομάδες SSG
Θερμική σταθερότητα
Τg 165oC
Απαραίτητη η χρήση φθορίου
(F)
Λεπτότερες μεμβράνες που με ενίσχυση για
μηχανική αντοχή
Μείωση του πάχους της
μεμβράνης- μείωση του κόστους
Χωρίς πειραματικά
αποτελέσματα για T>120oC
Νανοκρύσταλλοι ζεόλιθου πληρώνουν πορώδη
πολυμερή για να συγκρατούν υγρασία/ αύξηση της
πρωτονιακής αγωγιμότητας
-Θερμική σταθερότητα
-μείωση του crossover του
καυσίμου
-Βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες
Σημαντική μείωση στην
πρωτονιακή αγωγιμότητα
Sulfonatedpolymer/based
membranes
Σουλφονομένα πολυμερή Χαμηλό κόστος
‘Εμπορικά διαθέσιμο
Χημικά & θερμικά σταθερό
Η αγωγιμότητα εξαρτάται από
ενυδάτωση της μεμβράνης
Συνδυασμός ανόργανων σωματιδίων που να
συνδυάζουν υδροφιλικότητα και πρωτονιακή
αγωγιμότητα
Υψηλή ισχύ -Διαρροή ετεροπολυοξέων
–Θερμοκρασιακοί περιορισμοί
Υποκατάσταση του νερού από μη υδατικούς και μη
πτητικούς διαλύτες
-Μειωμένο crossover
-Καλή ιοντική αγωγιμότητα
-Πρώιμα στάδια ανάπτυξης
-Δίχως δοκιμές σε κελιά
καυσίμων
Acid/base
polymer
membrane
Συνδυασμός ισχυρών οξέων με πολυμερή που
φέρουν βασικές θέσεις
-Θερμική σταθερότητα
-Πρωτονιακή αγωγή
-Μείωση του crossover του
καυσίμου
Περιορισμένη διάρκεια
λειτουργίας
6. Πολυμερές
Ιονικό
υγρό
Ζεόλιθος
Ζεόλιθος
Πόροι μοριακού
μεγέθους
Θερμική σταθερότητα
Συγρατούν Η2Ο
Συγκρατούν το IL
μέσα στο πολυμερές
Μειώνουν το H2
crossover
Λειτουργία μεμβράνης
σε υψηλές
θερμοκρασίες
Πολυμερές
Πορώδες μέσο
Θερμική σταθερότητα
Μηχανική
σταθερότητα
Γεμίζουν οι πόροι με
ιονικό υγρό/
Αυξάνεται η
αγωγιμότητα της
μεμβράνης
Ιονικό υγρό
Χαμηλή τάση ατμών
Αγωγιμότητα
Υγρή φάση σε RT
Αυξάνουν την
αγωγιμότητα με
αύξηση της
θερμοκρασίας
Μπορούν να
εγκλωβιστούν σε
πορώδη μέσα
Zeolitic layer
2D nanoporous πολυμερές
Ιονικό υγρό
Το πρωτικό ιονικό υγρό μπορεί να αντικαταστήσει το φωσφορικό οξύ αυξάνοντας την
αγωγιμότητα της πολυμερικής μεμβράνης
7. Αργιλοπυριτικά (SiO4 AlO4), κρυσταλλικά, πορώδη υλικά με μέγεθος πόρων
μοριακών διαστάσεων (7-12Å)
Υδρόφιλα
Υψηλή θερμική σταθερότητα
Ανάπτυξη κρυστάλλων & μεμβρανών σε πορώδη υποστρώματα
Κελί σοδαλίτη Μοναδιαία κυψελίδα
NaY FAU Sigma-Aldrich Co
8. Κατάλυση (μεγάλο πορώδες)
Ιονανταλλαγή
Αποσκλήρυνση νερού
Ξήρανση υλικών (αντιστρεπτή ρόφηση νερού)
Διαχωρισμός αερίων με μεμβράνες ζεόλιθων
(μέγεθος πόρων μοριακών διαστάσεων)
1. Λόγω του μοριακού μεγέθους πορώδους
εμποδίζεται fuel crossover
2. Αναπτύσσεται σε μεμβράνες εμποδίζοντας το IL
leakage
3. Μέσω ιονανταλλαγής γίνεται τροποποίηση και
μπορούν να γίνουν H+ conductors.
4. Μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλές
θερμοκρασίες (120-400oC)
9. Ιοντικές ενώσεις
• GLIQ < Gcryst
Οργανικό κατιόν και ανόργανο ή οργανικό ανιόν
Άλατα με Τm<100oC μειώνοντας τη θερμοκρασία λειτουργίας συσκευών
Μη τοξικά
Χαμηλή τάση ατμών (μειώνεται η συγκέντρωση των οργανικών πτητικών VOC’s)
Διαλύτες για οργανικές, ανόργανες & πολυμερικές ενώσεις αντικαθιστώντας τους
κοινούς διαλύτες
Θερμική σταθερότητα σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος (-80 έως 400oC)
Υψηλή ιοντική και πρωτονιακή αγωγιμότητα (20 mS/cm)
Protic /aprotic
12. o Μελετήθηκαν
• οι ιδιότητες των υλικών HMINTf2 και του ζεόλιθου NΑΥ
• η μεταβολή του πορώδους του σύνθετου υλικού με την αύξηση του λόγου IL/Z
• η κρυσταλλικότητα του ζεόλιθου μετά τον εγκλωβισμό του IL
• η αλληλεπίδραση των ιόντων του IL με το κρυσταλλικό πλέγμα του ζεόλιθου
• η επίδραση του λόγου IL/Z στην αγωγιμότητα του σύνθετου υλικού
• η επίδραση της υγρασίας στην αγωγιμότητα του ζεόλιθου και του σύνθετου υλικού
14. [1]C. DeCastro, E. Sauvage, M. H. Valkenberg and W. F. Hölderich, J. Catal, 196, 86 (2000).
[2]M. H. Valkenberg, C. DeCastro and W. F. Hölderich, Green Chemistry, 4, 88 (2002).
[3]B. Pietschmann, M. A. Weiß, T. Selvam and G. Sextl, in Zeolite and Related Materials, Trends, Targets and
Challenges, p. 325, Proceedings of 4th FEZA Conference, Paris (2008).
1. Προετοιμασία αντιδράσεων κατάλυσης μέσω αλκυλοποίησης αρωματικών ειδών
1-butyl-3-methyl-imidazolium chloride σε SiO2 , Al2O3 , TiO2, ZrO2 και H-BEA
2. Σχηματισμός οξέων κατά Lewis σε SiO2
3. Ιονικά υγρά [ΕΜΙΜ+][BF-
4] σε Η-BEA ζεόλιθο με χρήση διαλύτη MeOH
15. 1. Ionic liquid
2. Zeolite
3. MeOH
MeOH
HMINTf2
FAU NaY
230oC
MeOH
evaporation
zeolite crystals were outgassed for ~24 hrs at 300 oC under vacuum
16. IL H-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide
Z zeolite NaY Faujasite
Εγκλωβισμός με τη μέθοδο Β
IL/Z : 0.03, 0.05, 0.10, 0.20, 0.5, 1
Χαρακτηρισμός με :
X-ray diffraction
N2 physisorption
TGA (thermogravimetric analysis )
FT-RAMAN
AC IMPEDANCE SPECTROSCOPY
17. Powder X-ray diffraction (XRD)
Bruker D-8 ADVANCE diffractometer
LynxEye position sensitive detector,
CuKa X-ray source (40 kV, 40 mA).
Thermogravimetric analysis (TGA)
Q50 TGA apparatus (TA Instruments, Inc.).
the samples were heated from room temperature to 200 oC
under flowing Ar with a heating rate 5 oC/min.
FT-Raman spectra
Bruker (D) FRA-106/S component attached to an EQUINOX 55 spectrometer.
A R510 diode pumped Nd:Y AG laser at 1064 nm operating at 250 mW 4 cm-1
resolution
800 scans.
N2 pfysisorption
Quantachrome Autosorb-1 Series Surface Area and Pore Size Analyzer
18. Στους T=200oC αργή αλλά συνεχή απώλεια βάρους
0 100 200 300 400 500
-20
-15
-10
-5
0
HMINTF2
%ofMassLost
Temperature [
o
C]
Θέρμανση μέχρι τους 450oC
Dry συνθήκες
Ρυθμός θέρμανσης 5oC/min
19. Το μικροπορώδες και το εσωτερικό των πόρων γεμίζει
προοδευτικά όσο αυξάνεται ο λόγος IL/Z
Textural properties of NaY and the composites.
IL/Z
BET
Area
(m2/g)a
Micropore
Volume
(cc/g)b
Micropore
Area
(m2/g)b
External
Surface Area
(m2/g)b
Total Pore
Volume (cc/g)
NaY 505.3 0.2595 493.3 13.01 0.2833
0.03 471.1 0.2431 461.4 9.68 0.2652
0.05 467.6 0.2374 453.9 13.62 0.2609
0.1 383.7 0.1955 372.4 11.25 0.2180
0.2 264.2 0.1318 251.3 12.90 0.1562
0.5 2.0 0 0 2.00 0.1548
1 1.1 0 0 1.10 0.0084
a
b t-plot method
(a)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0
10
80
100
120
140
160
180
200
NaY
0.03
0.05
0.1
0.2
0.5
volume[cc/g]
relative pressure [P/P0
]
1
(b)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0
100
200
300
400
500
microporesurfacearea[m
2
/g]
IL/Z ratio
Figure 2: (a) N2 physisorption isotherms of NaY and HM
Τα πειράματα
πραγματοποιήθηκαν σε
θερμοκρασία -196οC.
Τα δείγματα πρίν τις
μετρήσεις απαερώθηκαν σε
θερμόκρασία 200οC για
3hrs.
27. Στις θερμοκρασίες 80 & 120oC η αγωγιμότητα είναι υψηλότερη για dry συνθηκες
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
temperature [
o
C]
conductivity[S/cm]
HMINTf2 4,3kPa
HMINTf2 dry conditions
Υπό συνθήκες υγρασίας στους 150oC το ιονικό υγρό εξατμιζόταν
28. Ιδιοκατασκευή για μέτρηση
αγωγιμότητας των σύνθετων
υλικών
Σχηματική αναπαράσταση της
ιδιοκατασκευής για τη
μέτρηση αγωγιμότητας των
σύνθετων υλικών
Διάμετρος 14mm,
Πάχος 1,35mm)
10% PVDF Poly (Vinylidene
Fluoride)
90% COMPOSITE
MATERIAL
29. Σύγκριση αγωγιμότητας NaY πελέττας συναρτήσει της
θερμοκρασίας τιμές από τη βιβλιογραφία αναφ.1 (●) and
αναφ. 2 (▲)
• Η αγωγιμότητα του ζεόλιθου αυξάνεται καθώς αυξάνεται και η
θερμοκρασία σε ξηρες συνθήκες ενώ σε συνθήκες υγρασίας μειώνεται
• Είναι πιθανό να οφείλεται στα κατιόντα Na
[1] D. C. Freeman, D. N. Stamires, J. Chem. Phys., 35 (3), (1961), 799-806.
[2] A. Abdoulaye, S. Sh. Soulayman, G. Chabanis, J. C. Giuntini, J. V. Zanchetta, Microp. Mater., 8, (1997), 63-68.
80 100 120 140 160
10
-9
10
-8
10
-7
conductivity[S/cm]
temperature [
o
C]
30. Μέτρηση αγωγιμότητας συναρτήσει του λόγου IL/Z σε
θερμοκρασίες 80, 120 & 150οC υπο dry συνθήκες
Υπό ξηρές συνθήκες, η αγωγιμότητα των σύνθετων υλικών αυξάνεται με αύξηση της θερμοκρασίας και
αυξανόμενου του λόγου IL/Z
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0.01
150
o
C
120
o
C
Conductivity[Scm
-1
]
IL/Z weight ratio
80
o
C
32. Μέτρηση αγωγιμότητας συναρτήσει του λόγου IL/Z σε
θερμοκρασίες 80, 120 & 150οC υπό συνθήκες υγρασίας
4,2kPa
Υπό συνθήκες υγρασίας 4,3kPa η αγωγιμότητα μειώνεται μέχρι το τη συγκέντρωση
0.5, και αυξάνεται απότομα μέχρι το λόγο IL/Z=1 στην τιμή 0,01 S/cm
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
150
o
C
120
o
C
Conductivity[Scm
-1
]
IL/Z ratio
80
o
C
33. Σύνθεση υλικών με IL/Z = 0,03, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5 & 1
Χαρακτηρισμός με XRD,TGA, N2 physisorption, FT-RAMAN, DSC
Σχηματισμός NaTFSI
Μετρήσεις σύνθετης εμπέδησης
-αύξηση της αγωγιμότητας με αύξηση της θερμoκρασίας
-Αύξηση της αγωγιμότητας με αύξηση του λόγου IL/Z
34. Na50.5Si141.5Al50.5O384 + y HMITFSI <-> HMIyNa(50.5-y) Si141.5Al50.5O384 + y NaTFSI
Na50.5Si141.5Al50.5O384 + y HMITFSI <->
HyNa(50.5-y)Si141.5Al50.5O384 + y NaTFSI+yMI (R2)
38. 400 600 800 1000 1200 1400
0,0
0,5
1,0
1,5
absorbancea.u.
wavenumber v cm
-1
30
o
C
50
o
C
60
o
C
70
o
C
120
o
C
150
o
C
2800 3000 3200 3400 3600 3800
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
absorbance
wavenumber v cm-1
30
o
C
50
o
C
60
o
C
70
o
C
120
o
C
150
o
C
V cm-1 confor
mation
411 TFSI CIS
514 TFSI CIS
551 TFSI CIS
569 TFSI CIS
609 TFSI TRANS
609 TFSI TRANS
V cm-1 confor
mation
631 TFSI TRANS
663 HMI+
743 TFSI CIS
765 TFSI TRANS
781 TFSI TRANS
V cm-1 conform
ation
790 TFSI CIS
862 TFSI TRANS
916 TFSI TRANS
1051 TFSI CIS
1086 TFSI TRANS
1128 TFSI CIS
V cm-1 confor
mation
1161 TFSI TRANS
1182 TFSI
1221 TFSI CIS
1243 TFSI CIS
1280 TFSI TRANS
1305 TFSI CIS
V cm-1 conform
ation
1326 TFSI CIS
1349 TFSI TRANS
1382 TFSI TRANS
Αυξάνοντας τη θερμοκρασία το ανιόν προτιμάει την cis από την trans μορφή
39. European Commission through the FP7 funded program ZEOCELL
(Grant Agreement no:209481)
τον ερευνητή Δρ Βλαδίμηρο Νικολάκη
το Δρ. Βασίλη Δρακόπουλο
το Δρ. Σπύρο Νταή
το Δρ. Φώτη Παλούκη
Το μεταπτυχιακό φοιτητή: Κροκιδά Παναγιώτη
Εργαστήριο Μοριακών ηθμών
Εργαστήριο του δρ. Γιώργου Βογιατζη
Εσάς για την προσοχή σας !
40. 10 15 20 25 30 35
HMITFSI
HMITFSI/NaY
intesity[a.u.]
2[
o
]
NaY
• Η δομή του ζεόλιθου παραμένει ανεπηρέαστη μετά τον εγκλωβισμό
•Αλλαγές στις εντάσεις των κορυφών οφείλονται στην επαναδιάταξη των
Na+ μέσα στον πόρο ή πιθανής ιονανταλλαγής με το κατιόν ΗΜΙ+
αντίδραση οξείδωσης του καύσιμου αερίου (Η2) στο ηλεκτρόδιο της καθόδου και μία αντίδραση αναγωγής του οξειδωτικού αερίου (Ο2) στο ηλεκτρόδιο της ανόδου. Τα μόρια του Η2 διασπώνται στην άνοδο, παράγοντας ηλεκτρόνια και κατιόντα Η+ τα οποία ροφώνται στην άνοδο. Τα e- δημιουργούν ρεύμα το οποίο είναι η ωφέλιμη ενέργεια που παράγεται στο κύκλωμα. Τα ίδια αυτά ηλεκτρόνια e- φθάνουν στην κάθοδο όπου διασπούν τα μόρια του Ο2 σε ανιόντα Ο2-, τα οποία ροφώνται στην κάθοδο. Διαμέσου του στερεού ηλεκτρολύτη τα ιόντα του οξυγόνου φτάνουν στην άνοδο όπου αντιδρούν με τα εκεί ροφημένα ιόντα Η+ παράγοντας Η2Ο το οποίο εκροφάται, δημιουργώντας έτσι νέες θέσεις ρόφησης υδρογόνου, και η διαδικασία συνεχίζεται με συνεχή παραγωγή ροής ηλεκτρονίων στο κύκλωμα
H-3-methylimidazolium Theoretical volume [nm3] 0,1031 0,115.2
Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide 0,146 from cristallographic data and 0,144 from MM2 calculation;3 0,143.4
The entire procedure was carried in a glove bag under Ar atmosphere
Η απότομη μείωση εχει να κανει με το πόσο γρήγορα γεμίζει το εσωτερικό των πόρων. Γεμίζει πρώτα το εξωτερικό και μετά , όταν εχει σχηματιστεί ένα layer γεμίζει αποτομα και το μέσα.
Peletta me sputtering
The entire procedure was carried in a glove bag under Ar atmosphere
V cm-1
conformation
411 TFSI CIS
514 TFSI CIS
551 TFSI CIS
569 TFSI CIS
609 TFSI TRANS
609 TFSI TRANS
631 TFSI TRANS
663 HMI+
743 TFSI CIS
765 TFSI TRANS
781 TFSI TRANS
790 TFSI CIS
862 TFSI TRANS
916 TFSI TRANS
1051 TFSI CIS
1086 TFSI TRANS
1128 TFSI CIS
1161 TFSI TRANS
1182 TFSI
1221 TFSI CIS
1243 TFSI CIS
1280 TFSI TRANS
1305 TFSI CIS
1326 TFSI CIS
1349 TFSI TRANS
1382 TFSI TRANS