Graphene oxide functionalised with 2-naphthalenesulfonic acid as a novel membrane for polymer electrolyte fuel cells

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells may have a key role in the future to lower the environmental impact related to the transport field. Despite this, several issues have to be overcome to make this technology more economically competitive, with the first one being related to the high cost and insufficient low-humidity and high-temperature of the utilised polymer electrolyte membrane: Nafion®. Among the possible candidates able to substitute Nafion®, Graphene Oxide has been observed to be completely impermeable to many liquids, vapors and gases, while allowing unimpeded permeation of water, thus indicating an affinity for hydration whilst minimizing fuel crossover for PEMFC. Despite this, its poor proton conductivity lower the possibility of an effective implementation. In this thesis, three novel sulfonated graphene oxide membranes with different ratios of Graphene Oxide (GO):2-naphthalenesulfonic acid (NS) (1:1, 5:1 and 10:1) are synthesized and characterised through TGA, ATR-FTIR, mechanical test, XRD, SEM and EDX, Ion Exchange Capacity (IEC), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and immersion tests, to explore if this sulfonation procedure is able to raise the electrochemical performances of graphene-oxide. XRD and ATR-FTIR analysis may confirm an effective non-covalent sulfonation, through which NS may be able to intercalate in between GO’s sheets by π - π stacking. All sulfonated membranes are thermally stable up to 120 °C, thus being able to work in the operating temperature range of PEMFC which is between 50 and 90 °C. Among the candidates, the membrane with the higher ratio GO:NS (GONS1) presents the best electrochemical performances, with a high proton conductivity of 0.434 ± 0.004 S·cm−1 at 70 °C, 99%RH and an IEC of 0.84 ± 0.08 meq·g−1. Despite this, it is too fragile to be tested and implemented in fuel cells. An issue which, if overcomed, may push its candidacy as novel membrane for PEMFC even further.

Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico potrebbero avere un ruolo chiave nell’ abbattimento delle emissioni legate al trasporto. Tuttavia, per far si che questa tecnologia diventi più competitiva a livello economico, alcune problematiche devono essere risolte, prime tra tutte le performances insufficienti e l’ alto costo della membrana elettrolitica utilizzata: il Nafion®. Tra i vari candidati che potrebbero fungere da nuovo elettrolita, il Grafene Ossido ha guadagnato via via sempre più attenzione grazie alla sua completa impermeabilità a molti liquidi, vapori e gas, pur rimanendo idrofilico. Malgrado ciò, la sua bassa conducibilità protonica va necessariamente migliorata per favorire la possibile implementazione di questo materiale. Nella seguente tesi, tre membrane a base di grafene ossido (GO) e 2-naphthalenesulfonic acid (NS) sono state sintetizzate, con un rapporto GO:NS rispettivamentedi 1:1, 5:1 e 10:1. La caratterizzazione comprende TGA, ATR-FTIR, prove di trazione, XRD, SEM and EDX, Ion Exchange Capacity (IEC), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) e test di immersione. Dall’analisi XRD e ATR-FTIR potrebbe risultare un’effettiva intercalazione di NS tra i fogli di GO tramite legami π - π. Tutte le membrane solfonate sono stabili termicamente fino a temperature maggiori di 100 °C, rientrando pienamente nel range di temperature delle PEMFC: 50 - 90 °C. Le analisi EIS e IEC evidenziano il comportamento promettente della membrana con il quantitativo più alto (1:1) di NS, GONS1„ con una conducibilità protonica pari a 0.434 ± 0.004 S·cm−1 at 70 °C, 99%RH, ed una IEC di 0.84 ± 0.08 meq·g −1 . Tuttavia, le proprietà meccaniche non soddisfano i requisiti necessari per poter testare questo materiale in una FC: un problema che, se ovviato, potrebbe rendere più promettente la candidatura di questo materiale come possibile sostituto del Nafion®.