Overcoming PFASs: PBI-PGO composites as prospective polymer electrolyte membranes within the conductivity gap

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are one of the key technologies of the Green Transition, but the current material used as polymer electrolyte, Nafion®, carries a series of limitations and negative aspects, including the potential emission of toxic and environmentally persistent PFASs during manufacturing and disposal. The aim of this thesis is to overstep the commercial membranes based on PFASs with the development of novel self-assembling PBI-PGO X:Y composite membranes capable of working in the “conductivity gap” temperature range (80-120 °C). A simple and reproducible process is developed to produce samples with five different mass ratios (3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3), never investigated in previous studies. The characterization at the morphological and microstructural level (OM, SEM, XRD), highlights uniformity without visible defects and a mainly amorphous structure. Compositional EDS analysis confirms the presence of all the principal elements, indicating the correct functionalization of GO and the mixing of PBI and PGO. Thermo-mechanical results demonstrate the thermal stability of the samples, especially below 120 °C with a residual mass above 90%, and decent mechanical features comparable with other materials reported in the literature. Functional and electrochemical tests (IEC, water immersion, EIS) confirm the effective combination of the thermal stability of PBI with the proton conductivity-enhancing properties of PGO, which avoids the use of acid doping on the membranes. The results support the potentiality of the PBI-PGO composite membranes with high PGO content, since PBI-PGO 1:3 provides the highest water uptake (257%) with an acceptable swelling ratio (26.8%), the best IEC (0.53 ± 0.15 meq g–1), and the maximum in-plane and through-plane conductivity values at 100 °C (σIP = 0.087 S cm–1, σTP = 0.036 S cm–1).

Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) sono una delle tecnologie chiave della transizione verde, ma il materiale attualmente utilizzato come elettrolita polimerico, Nafion®, presenta una serie di limitazioni e aspetti negativi, tra cui la possibile emissione di PFAS tossici e persistenti nell'ambiente durante la produzione e lo smaltimento. L'obiettivo di questa tesi è superare le membrane commerciali a base di PFAS attraverso lo sviluppo di nuove membrane composite autoassemblanti PBI-PGO X:Y, in grado di operare nel range di temperatura noto come “gap di conducibilità” (80-120 °C). Un processo semplice e riproducibile è stato sviluppato per produrre campioni con cinque diversi rapporti in massa (3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3), mai investigati in studi precedenti. La caratterizzazione a livello morfologico e microstrutturale (OM, SEM, XRD) evidenzia uniformità senza difetti visibili e una struttura principalmente amorfa. L'analisi composizionale EDS conferma la presenza di tutti gli elementi principali, indicando la corretta funzionalizzazione del GO e la miscelazione di PBI e PGO. I risultati termo-meccanici dimostrano la stabilità termica dei campioni, soprattutto al di sotto dei 120 °C con una massa residua superiore al 90%, e buone caratteristiche meccaniche comparabili con altri materiali riportati in letteratura. I test funzionali ed elettrochimici (IEC, immersione in acqua, EIS) confermano l'efficace combinazione della stabilità termica del PBI con le proprietà di miglioramento della conducibilità protonica del PGO, evitando l'uso del drogaggio acido sulle membrane. I risultati supportano le potenzialità delle membrane composite PBI-PGO con elevato contenuto di PGO, poiché il PBI-PGO 1:3 fornisce il massimo assorbimento d'acqua (257%) con un rapporto di rigonfiamento accettabile (26.8%), il miglior IEC (0.53 ± 0.15 meq g–1) e i valori massimi di conducibilità planare e trasversale a 100 °C (σIP = 0.087 S cm–1, σTP = 0.036 S cm–1).