Yakıt pillerinde kullanım amaçlı asit fonksiyonlu polimer/bor nitrür kompozit membranların sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of boron nitride based anhydrous proton conductive polymer membranes
Yazar: MEHMET ŞİRİN TUTGUN
Danışman: PROF. DR. AYHAN BOZKURT
Fatih Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Son yıllarda polimer elektrolit membran yakıt hücrelerine (PEMYH) olan ilgi giderek artmaktadır. Yakıt pilleri kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren alternatif enerji kaynaklarındandır. (PEMYH) yüksek teknoloji ve otomotiv endüstrisinde kullanılabilirliği son zamanlarda yapılan araştırmalar bu yönde ilerlemiştir. Yakıt hücresindeki katalitik elektrotlar arasına yerleştirilen polimer membranlar, anotta sağlanan hidrojen gazının oksitlenmesi sonucunda oluşan protonları katoda geçirirler. Katotta protonlar, bu elektroda sağlanan oksijen ile birleşerek su ve enerji üretirler.Polimer elektrolit membran yakıt hücrelerinin en önemli parçası polimer membranlardır. Günümüzde ticari olarak perflorosülfonik asit esaslı membranlar (nafyon) kullanılmaktadır. Fakat bu tür membranların pahalı olması ve proton iletkenliğinin nem oranına bağlı olması gibi birçok dezavantajlarından dolayı araştırmaların nemsiz proton iletken membranlar üzerine yoğunlaşmasına yol açmıştır.
Son yıllarda, hegzagonal bor nitrür (hBN) termal iletkenlik, ısı dağıtma özelliği, kimyasal kararlılık elektrik ve elektronik bileşenlerin alanında dikkat çekmektedir. Bor nitrür yoğunluğunun düşük olması, yalıtkan katkı malzemeleri arasında ısı iletimi en yüksek malzeme olması, biyouyumlu olması gibi pek çok üstün özelliğinden dolayı biyomedikalden elektronik sektörüne kadar pek çok uygulamada polimer dolgusu olarak kullanılabilmektedir. Literatürde hegzagonal bor nitrür ile yapılan çalışmalar daha çok hBN için termal kararlılık ve elektriksel iletkenlik üzerine yapıldığı için, literatürde özellikle nemsiz proton iletken membran çalışmalarına hiç değinilmemiştir. Bundan dolayı, bu tez çalışması özellikle nemsiz ortamda çalışabilen proton iletken membranların elde edilmesi bakımından literatüre iyi bir katkı olabilir. 
Bu tez çalışmasında, yüksek saflıktaki hBN'nin yakıt pili uygulamalarında kullanımı olan poli(vinil fosfonik asit) (PVPA), poli(vinil alkol) (PVA)  ve poli (2-akrilamido-2-metil-1-propan sülfonik asit) (PAMPS) gibi polimerler ile farklı oranlarda karıştırılarak çeşitli kompozit membranlar hazırlandı. Elde edilen malzemelerin yüzey morfolojisi, termal, kimyasal, mekanik özellikleri incelendi. Membranlar yaklaşık 200 °C ve üzerinde ısısal kararlılık göstermişlerdir. DSC ve SEM sonuçlarına göre membranların homojen oldukları görülmüştür. Proton iletkenlik ve iyon iletkenlik özelliklerindeki değişim empedans analizör ile belirlenmiştir. Proton iletkenlik çalışmasında, PVPA-15hBN, PVA-SSA-15hBN ve PAMPS-NMPA-3hBN membranları için en yüksek proton iletkenlik değerleri 150 °C'de sırasıyla 0,0052 S/cm, 0.0284S/cm ve 0,00053 S/cm ölçüldü.

Anahtar Kelimeler: Hegzagonal bor nitrür, poli (vinil fosfonik asit), poli(vinil alkol) ve poli ( 2-akrilamid-2 metil-1- propan sülfonik asit), proton iletkenlik.

Abstract:
Quite recently, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have attracted much attention as alternative energy sources for various applications such as transportation vehicles and portable electronic devices. Fuel cell is one of the alternative energy sources which converts chemical energy into electrical energy. (PEMFCs) have recently progressed due to the application of high-tech and automotive industries. Polymer membranes are planed between catalytic electrodes where protons resulting from the oxidation of hydrogen gas supplied at the anode to the cathode. These protons in the cathode combine with the oxygen produce water and energy. 
The proton exchange membrane (PEM) is the best component in PEMFCs. Nowadays, the representative proton conducting polymer electrolyte membranes have been perfluorosulfonic acid (PFSA) polymers, such as Nafion from Du Pont, which have excellent electrochemical, mechanical and thermal properties and provide high proton conductivity in the fully hydrated state. However, their high cost is an obstacle to the development of high performance fuel cells. Furthermore, the performance of Nafion decreases dramatically at high temperature due to drying, which limits its use in PEMFC applications. Therefore, there is an enormous need for polymer electrolyte membranes having low cost and showing high performance under anhydrous conditions at high temperatures.
Recently, hexagonal boron nitride (hBN) has attracted a great deal of attention from the scientific community as a result of its distint physical and chemical properties which includes high thermal conductivity, high temperature stability, high corrosion resistance, good lubrication property, good resistance to oxidation and chemical inertness. It can be used in many applications which includes coatings and electrical insulation, optical storage, optoelectronic devices, medical treatment and lubricant. Membrane applications (especially anhydrous PEMs) of hBN have not been the subject of any study yet. Therefore, it may be a good contribution to PEM systems especially in the absence of humidity.
In the  present study, several composite membranes were prepared by blending of hexagonal boron nitride (hBN) with poly(vinyl phosphonic acid) (PVPA), poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulphonic acid) (PAMPS), respectively, sonication is preferred to provide a better blending. The obtained membranes were characterized with Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR). Thermal properties of the materials were studied by differential scanning calorimetry (DSC) and thermo gravimetric analysis (TGA) tests. TGA results illustrated that all composite membranes are thermally stable up to 200 ºC.  The surface topography of the membranes was determined by Scanning Electron Microscopy (SEM). The crystallinity of the membranes was characterized by X-ray diffraction (XRD). At anhydrous conditions, the maximum proton conductivities were measured as 0.0052 S/cm, 0.0284 S/cm ve 0.00053 S/cm at 150 oC for PVPA-15hBN, PVA-SSA-15hBN and PAMPS-NMPA-15hBN, respectively, via impedance analyzer.

Keywords: Hexagonal boron nitride, poly (vinyl phosphonic acid), poly(vinyl alcohol), Poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulphonic acid), proton conductivity.