본 연구에서는 술폰화된 sodium 5,5'-carbonylbis(2-fluorobenzene sulfonate) 단량체를 이용하여 친수성 올리고머를 합성한 뒤 소수성 올리고머와 1:1로 공중합반응을 시켜 sulfonated poly(arylene ether ketone) (SPAEK) 공중합체를 합성하였다. 제조한 공중합체의 구조 분석은 $^1H$-NMR, FT-IR, GPC를 사용하여 실시하였고, GPC에서 공중합체의 평균분자량은 $209,700g\;mol^{-1}$, 다분산지수(PDI)는 1.25이었다. 열적 안정성을 확인하기 위하여 TGA 분석을 실시하였고, $200^{\circ}C$이상에서의 열 안정성을 확인하였다. 고분자 전해질 막의 양이온 전도도는 상대습도 100%, $80^{\circ}C$의 온도에서 약 $9.0mS\;cm^{-1}$이었다. 측정된 결과로부터 본 연구에서 제조한 탄화수소계 전해질 막은 술폰화 정도를 증가시키거나 약간의 구조적 변형을 통해 연료전지용 고분자 전해질 막으로 적용 가능할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 술폰화된 sodium 5,5'-carbonylbis(2-fluorobenzene sulfonate) 단량체를 이용하여 친수성 올리고머를 합성한 뒤 소수성 올리고머와 1:1로 공중합반응을 시켜 sulfonated poly(arylene ether ketone) (SPAEK) 공중합체를 합성하였다. 제조한 공중합체의 구조 분석은 $^1H$-NMR, FT-IR, GPC를 사용하여 실시하였고, GPC에서 공중합체의 평균분자량은 $209,700g\;mol^{-1}$, 다분산지수(PDI)는 1.25이었다. 열적 안정성을 확인하기 위하여 TGA 분석을 실시하였고, $200^{\circ}C$이상에서의 열 안정성을 확인하였다. 고분자 전해질 막의 양이온 전도도는 상대습도 100%, $80^{\circ}C$의 온도에서 약 $9.0mS\;cm^{-1}$이었다. 측정된 결과로부터 본 연구에서 제조한 탄화수소계 전해질 막은 술폰화 정도를 증가시키거나 약간의 구조적 변형을 통해 연료전지용 고분자 전해질 막으로 적용 가능할 것으로 기대된다.
In this study, a sulfonated poly(arylene ether ketone) block copolymer was prepared from hydrophilic oligomer and hydrophobic oligomer. The structure of the prepared membrane was characterized by $^1H$-NMR, FT-IR and GPC. The $M_w$(weight-average molecular weights) of the polym...
In this study, a sulfonated poly(arylene ether ketone) block copolymer was prepared from hydrophilic oligomer and hydrophobic oligomer. The structure of the prepared membrane was characterized by $^1H$-NMR, FT-IR and GPC. The $M_w$(weight-average molecular weights) of the polymer was $209,700g\;mol^{-1}$ and the molecular weight distribution($M_w/M_n$) of 1.25 was obtained. The prepared membrane showed excellent thermal stability with gradual weight loss up to $200^{\circ}C$. The proton conductivity of SPAEK block copolymer reached the maximum of $9.0mS\;cm^{-1}$ at $90^{\circ}C$ under 100% relative humidity (RH). From the observed results, it is necessary to do more aggressive attempt to study the possibility of application as an ion-conductive composite electrolyte.
In this study, a sulfonated poly(arylene ether ketone) block copolymer was prepared from hydrophilic oligomer and hydrophobic oligomer. The structure of the prepared membrane was characterized by $^1H$-NMR, FT-IR and GPC. The $M_w$(weight-average molecular weights) of the polymer was $209,700g\;mol^{-1}$ and the molecular weight distribution($M_w/M_n$) of 1.25 was obtained. The prepared membrane showed excellent thermal stability with gradual weight loss up to $200^{\circ}C$. The proton conductivity of SPAEK block copolymer reached the maximum of $9.0mS\;cm^{-1}$ at $90^{\circ}C$ under 100% relative humidity (RH). From the observed results, it is necessary to do more aggressive attempt to study the possibility of application as an ion-conductive composite electrolyte.
본 연구에서는 술폰화과정을 통해 술폰산기를 포함한 단량체를 제조한 후, 술폰산 그룹을 포함하는 블록 공중합체를 제조하였다. 제조된 고분자는 DMSO(dimethyl sulfoxide)용매를 사용하여 제막하였다.
제안 방법
제조된 전해질 막은 1H-NMR, GPC, FT-IR을 통하여 폴리머 구조 분석을 확인하였으며, TGA를 통해 열적 안정성을 확인하였다. 또한, 수소이온전도도 분석을 통해 고분자 전해질막으로서의 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 술폰화된 sodium 5,5’-carbonylbis(2-fluorobenzene sulfonate) 단량체를 이용하여 친수성 올리고머를 합성한 뒤 소수성 올리고머와 공중합 반응을 통해 평균분자량이 209,700 g mol-1인 술폰화된 폴리 (아릴렌 이써 케톤)의 공중합체 막을 제조하였다. 제조한 공중합체는 FT-IR과 1H-NMR을 사용하여 그 구조를 분석하였고, 술폰산 그룹의 존재를 확인하였다.
대상 데이터
4,4’-difluorobenzophenone, 4,4’-(hexafluoroisopropylidene)diphenol, 4,4’-dihydroxybenzophenone, 4,4’- dichlorobenzopheneone, 30% fuming sulfuric acid, anhydrous potassium carbonate (K2CO3), N,N-dimethylacetamide (DMAc)와 dimethyl sulfoxide (DMSO), 톨루엔은 Aldrich사에서 구입하였으며, 사용 전 60℃에서 진공건조 후 수분을 제거하고 사용하였다.
데이터처리
제조된 고분자는 DMSO(dimethyl sulfoxide)용매를 사용하여 제막하였다. 제조된 전해질 막은 1H-NMR, GPC, FT-IR을 통하여 폴리머 구조 분석을 확인하였으며, TGA를 통해 열적 안정성을 확인하였다. 또한, 수소이온전도도 분석을 통해 고분자 전해질막으로서의 성능을 평가하였다.
성능/효과
제조한 공중합체는 FT-IR과 1H-NMR을 사용하여 그 구조를 분석하였고, 술폰산 그룹의 존재를 확인하였다. TGA를 통한 열안정성 실험결과, 200℃ 이상에서도 안정한 것이 확인되 었으며 나피온에 비해 무게 감소율이 적은 것으로 나타났다. 고분자 전해질막의 양이온 전도도는 상대습도 100%, 90℃의 온도에서 약 9.
인 술폰화된 폴리 (아릴렌 이써 케톤)의 공중합체 막을 제조하였다. 제조한 공중합체는 FT-IR과 1H-NMR을 사용하여 그 구조를 분석하였고, 술폰산 그룹의 존재를 확인하였다. TGA를 통한 열안정성 실험결과, 200℃ 이상에서도 안정한 것이 확인되 었으며 나피온에 비해 무게 감소율이 적은 것으로 나타났다.
TGA를 통한 열안정성 실험결과, 200℃ 이상에서도 안정한 것이 확인되 었으며 나피온에 비해 무게 감소율이 적은 것으로 나타났다. 고분자 전해질막의 양이온 전도도는 상대습도 100%, 90℃의 온도에서 약 9.0 mS cm-1이었다. 본 연구에서 제조하여 평가한 SPAEK 탄화수소계 전해질막의 술폰화정도를 증가시키거나 구조를 약간 변형시킨다면, 연료전지용 고분자 전해질막으로 사용될 가능성이 있다.
친수성 올리고머와 소수성 올리고머는각 47,600 g mol-1, 52,800 g mol-1의 평균분자량 (Mw)을 얻었으며, SPAEK 공중합체의 평균분자량은 209,700 g mol-1로 확인되었다. 공중합체의 최대평균분자량(Mmax) 은 262,200 g mol-1로 확인되었고, 167,200 Da의 수평균 분자량이 얻어졌으며, 1.25의 다분산 지수(poly dispersity index)를 나타내었다.
합성된 친수성 올리고머와 소수성 올리고머의 분자량 정보를 얻기 위해 실시한 겔 투과 크로마토그래피 측정은 DMF에 용해하여 수행하였으며 그 데이터를 Table 1에 요약하였다. 친수성 올리고머와 소수성 올리고머는각 47,600 g mol-1, 52,800 g mol-1의 평균분자량 (Mw)을 얻었으며, SPAEK 공중합체의 평균분자량은 209,700 g mol-1로 확인되었다. 공중합체의 최대평균분자량(Mmax) 은 262,200 g mol-1로 확인되었고, 167,200 Da의 수평균 분자량이 얻어졌으며, 1.
후속연구
이는 전해질 막의 상업화를 위한 만족할만한 수치는 아니나, 온도에 따른 이온전도도가 증가하는 양상을 확인한 실험으로써 가치가 있으며, 탄화수소계 방향족 고분자내에 도입된 술폰산 그룹이 물 분자를 흡수하고, 온도가 증가할수록 함수능력이 증가하여 친수성고분자와 소수성고분자 사이에 블록을 형성함으로써 양이온 교환 통로가 형성되었음을 예상할 수 있다 [17]. 향후, 고온에서 작동되면서 이온 전도도가 보다 향상된 연구가 기대된다.
0 mS cm-1이었다. 본 연구에서 제조하여 평가한 SPAEK 탄화수소계 전해질막의 술폰화정도를 증가시키거나 구조를 약간 변형시킨다면, 연료전지용 고분자 전해질막으로 사용될 가능성이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료전지는 무엇인가?
연료전지는 에너지를 저장하는 기존의 이차전지와 달리 수소와 산소의 화학반응을 통해 발생하는 에너지를 전기로 변환시키는 발전장치로서, 산업용 전원으로부터 소비전원에 이르기까지 사용 가능한 최선의 대안으로 각광을 받고 있으며, 연료전지 기반의 에너지 디바이스는 화석 연료계 수송 시스템을 대신할 수 있는 매력적인 해결책으로 각광받고 있다 [1, 2].
연료 전지의 사용 시 발생하는 부산물은 무엇인가?
연소과정을 통한 발전과 달리, 연료 전지는 공해물질을 생성하지 않으며 사용 시 발생하는 유일한 부산물은 물이다. 게다가 내연기관과 같은 작동 중 폭발현상이 없어 소음이 없으며 전력효율이 30 ∼ 40%에 온수로부터 회수되는 30 ∼ 40%의 열효율을 더하여 70 ∼ 80%의 발전효율을 나타내고 있다 [3].
연료 전지의 전력효율과 발전효율은 얼마인가?
연소과정을 통한 발전과 달리, 연료 전지는 공해물질을 생성하지 않으며 사용 시 발생하는 유일한 부산물은 물이다. 게다가 내연기관과 같은 작동 중 폭발현상이 없어 소음이 없으며 전력효율이 30 ∼ 40%에 온수로부터 회수되는 30 ∼ 40%의 열효율을 더하여 70 ∼ 80%의 발전효율을 나타내고 있다 [3].
참고문헌 (17)
Park. J., Enomoto. K., Yamashita. T., Takagi. Y., 2013, Polymerization mechanism for radiation-induced grafting of styrene into alicyclic polyimide films for preparation of polymer electrolyte membranes, J. Membr. Sci. Vol. 438, pp. 1-7
Hickner. M. A., Ghassemi. H., Kim. Y. S., Einsla. B. R., McGrath. J. E., 2004, Alternative Polymer System for Proton Exchange Membranes (PEMs), Chem. Rev, Vol. 104, No. 10, pp. 4587-4612
Chang. K. C, 2012, Fuel cell, Magazine of the SAREK, Vol. 41, No. 6, pp. 11-11
Rikukawa, M., Sanui, K., 2000, Proton-conducting polymer electrolyte membranes based on hydrocarbon polymers, Polym. Sci. Vol. 25, No. 10, pp. 1463-1502
Mauritz, K., A., Moore, R., B., 2004, State of Understanding of Nafion, Chem. Rev. 104, No. 10, pp. 4535-4586
Kobayashi, T., Rikukawa, M., Sanui, K., Ogata, N., 1998, Proton-conducting polymers derived from poly(ether-etherketone) and poly(4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene), Solid State Ionics. Vol. 106, No. 3-4, pp. 219-225
Schauer, J. Brozova., L., 2005, Heterogeneous ionexchange membranes based on sulfonated poly(1,4- phenylene sulfide) and linear polyethylene: preparation, oxidation stability, methanol permeability and electrochemical properties, J. Membr. Sci. Vol. 250, No. 1-2, pp. 151-157
Zhao, Y., Yin. J., 2010, Synthesis and evaluation of all-block-sulfonated copolymers as proton exchange membranes for fuel cell application, 2010, J. Membr. Sci. Vol. 351, No. 1-2, pp. 28-35
Kopitzke, R., W., Linkous. C., A., 2000, Conductivity and water uptake of aromatic-based proton exchange membrane electrolyte, J. Electrochem. Soc., Vol. 147, No. 5, pp. 1677-1681
Kumar, G., G., Kim, A., R., Nahm, K., S., Yoo. D., J., Elizabeth. R., 2010, High ion and lower molecular transportation of the poly vinylidene fluoride- hexa fluoro propylene hybrid membranes for the high temperature and lower humidity direct methanol fuel cell applications, J. Pow. Sour, Vol. 195, No. 18, pp. 5922-5928
Chu, J., Y., Kim, A., R., Nahm, K., S., Lee, H., K., Yoo, D., J., 2013, Synthesis and characterization of partially fluorinated sulfonated poly(arylene biphenylsulfone ketone) block copolymers containing 6FBPA and perfluorobiphenylene units, J. Hydrogen, Energy, Vol. 38, No. 14, pp. 6268-6274
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