Development and characterization of novel PBI/SGO composites as possible proton exchange membranes filling the "Conductivity Gap"

This thesis work deals with the development of a simple and reproducible process to prepare self-assembling PBI/SGO X:Y composite membranes, whose characterization aspires to assess their potentiality as non-fluorinated proton exchange membranes able to work within the so-called "conductivity gap". Five samples with mass ratios of 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, and 1:3, which were never explored in the literature before, are investigated. The OM and SEM analyses reveal a great uniformity of all the composites without any macroscopic defects. From the XRD and ATR-FTIR patterns, the identification of both PBI and SGO contributions suggests the correct self-assembly of the membranes. TGA demonstrates the remarkable thermal stability of the composites, especially in the desired temperature range. All the samples exhibit excellent water retention capability while maintaining a reasonable swelling ratio (SR). The ion exchange capacity (IEC) values of the samples are greater than those of pure PBI. The EIS tests are performed with the in-plane and through-plane configurations to evaluate the membranes proton transfer ability. PBI/SGO 1:2 achieves the highest in-plane proton conductivity of 0.1145 S cm–1 at 120 °C, as well as the best compromise between water retention (409%) and SR (5.72%). The qualitative analysis of through-plane outputs shows that the internal resistance decreases with the rise of both temperature and SGO content, consistently with the in-plane results. Therefore, the PBI/SGO composites seem to possess great potential as an alternative material in PEMFC applications, filling the “conductivity gap”.

Questo lavoro di tesi riguarda lo sviluppo di un processo semplice e riproducibile per la preparazione di membrane composite PBI/SGO X:Y, la cui caratterizzazione mira a valutarne le potenzialità come membrane a scambio protonico non fluorurate in grado di lavorare all'interno del cosiddetto "gap di conducibilità". Sono stati analizzati cinque campioni con rapporti di massa pari a 3:1, 2:1, 1:1, 1:2 e 1:3, mai esplorati prima in letteratura. Le analisi OM e SEM rivelano una grande uniformità di tutti i compositi, senza difetti macroscopici. Dagli andamenti XRD e ATR-FTIR, l'identificazione dei contributi di PBI e SGO suggerisce il corretto autoassemblaggio delle membrane. L’analisi termogravimetrica dimostra la notevole stabilità termica dei compositi, soprattutto nell'intervallo di temperatura desiderato. Tutti i campioni mostrano un'eccellente ritenzione idrica, mantenendo comunque un rapporto di rigonfiamento ragionevole (SR). I valori di capacità di scambio ionico (IEC) dei campioni sono superiori a quelli del PBI puro. Gli esperimenti EIS sono stati eseguiti con le configurazioni longitudinale e trasversale per valutare la capacità di trasferimento protonico delle membrane. Il campione PBI/SGO 1:2 raggiunge la più alta conducibilità protonica longitudinale di 0.1145 S cm–1 a 120 °C, nonché il miglior compromesso tra assorbimento d’acqua (409%) e SR (5.72%). L'analisi qualitativa dei risultati trasversali mostra che la resistenza interna diminuisce all'aumentare della temperatura e del contenuto di SGO, coerentemente con i risultati ottenuti in direzione longitudinale. Pertanto, i compositi PBI/SGO sembrano possedere un grande potenziale come materiale alternativo nelle applicazioni PEMFC, colmando il "gap di conducibilità".