Development and characterization of innovative graphene oxide-based electrolytes for PEM fuel cells

Current research for new energy resources, aiming to progressively abandon fossil fuels, especially in terms of sustainability, has led to the introduction of new technologies with low environmental impact and high efficiencies such as fuel cells. This thesis, after a brief introductory overview of the existing types of cells, specifically deals with polymeric membrane fuel cells that will be analysed in detail from a mechanical, thermodynamic and electrochemical point of view. Subsequently, the real core of this work is represented by the creation, development and characterization of a new type of electrolyte based on the graphene oxide, a latest generation material able to form parallel ordered planes that has lately arisen growing interest. Two types of electrolytes were produced and analysed, the first constituted entirely by pure graphene oxide, the second one has been created starting from a mixture of graphene oxide and Nafion® in equal quantities. For the characterization of both electrolytes, techniques such as FT-IR spectroscopy, thermogravimetry, porosimetry and electrochemical impedance spectroscopy have been used. These analyses, followed by cell testing, allowed to define important physical and electrochemical parameters for a possible future use of graphene oxide within the PEM.

La continua ricerca di nuove risorse energetiche volte anche al progressivo e auspicabile abbandono delle fonti fossili, soprattutto sotto l’aspetto della sostenibilità, ha portato all'introduzione di nuove tecnologie a basso impatto ambientale e con alte efficienze come le celle a combustibile. Questa tesi, dopo una breve panoramica introduttiva sui tipi di celle esistenti, riguarda, nello specifico le celle a combustibile a membrana polimerica che verranno analizzate nel dettaglio dal punto di vista componentistico, termodinamico ed elettrochimico. In seguito, il vero cuore di questo lavoro è rappresentato dalla creazione, lo sviluppo e la caratterizzazione di un nuovo tipo di elettrolita basato sull’ossido di grafene, un materiale di ultima generazione in grado di formare piani paralleli ordinati che negli ultimi tempi ha destato crescente interesse. Sono stati prodotti ed analizzati due tipi di elettroliti, il primo formato interamente da ossido di grafene puro, il secondo formato a partire da una miscela di ossido di grafene e Nafion® in uguali quantità. Per la caratterizzazione di entrambi gli elettroliti sono state utilizzate tecniche quali la spettroscopia IR, la termogravimetria, la porosimetria e la spettroscopia elettrochimica d’impedenza. Queste analisi, seguite da test in cella, hanno permesso di definire importanti parametri fisici ed elettrochimici per un possibile futuro utilizzo dell’ossido di grafene nell’ambito delle PEM.