Перфторированные сульфосодержащие полимерные мембраны: микроструктура и основные функциональные свойства

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Развитие современных технологий и требования, которые предъявляются к экологии производств, требуют разработки новых полимерных ионообменных мембранных материалов с комплексом заданных свойств. Такие материалы используются в системах разделения и очистки жидкостей и газов, химического и электрохимического синтеза, в альтернативной энергетике. Мембранные материалы на основе перфторсульфополимеров (ПФСП) обладают комплексом характеристик, необходимых для их практического применения: высокая ионная проводимость и селективность, хорошая химическая стабильность, прочность и эластичность. В данном обзоре рассмотрены особенности микроструктуры ПФСП мембран, ее изменение при сорбции воды и растворителей, описаны особенности ионного и газового транспорта, механические свойства, а также зависимость ряда параметров от длины цепи и ионной формы, в которой находится полимер.

Об авторах

Е. Ю. Сафронова

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: safronova@igic.ras.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 31

А. А. Лысова

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук

Email: safronova@igic.ras.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 31

Список литературы

  1. Robeson L.M. Polymer Science: A Comprehensive Reference. V. 8. Elsevier B.V.; Amsterdam, The Netherlands, 2012. P. 325.
  2. Quast M.J., Mueller A. // J. Polym. Sci. A, Polym. Chem. 2019. V. 57. P. 961.
  3. Ямпольский Ю.П., Белов Н.А., Алентьев А.Ю. // Успехи химии. 2019. Т. 88. С. 387.
  4. Филиппов С.П., Ярославцев А.Б. // Успехи химии. 2021. Т. 90. С. 627.
  5. Zhang H., Shen P.K. // Chem. Rev. 2012. V. 112. P. 2780.
  6. Pourcelly G., Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D., Yaroslavtsev A.B. // Ionic Interactions in Natural and Synthetic Macromolecules. 2012. P. 761.
  7. Guerrero Moreno N., Cisneros Molina M., Gervasio D., Pérez Robles J.F. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. V. 52. P. 897.
  8. Shi X., Esan O.C., Huo X., Ma Y., Pan Z., An L., Zhao T.S. // Prog. Energy Combust Sci. 2021. V. 85. P. 100926.
  9. Feng S., Voth G.A. // J. Phys. Chem. B. 2011. V. 115. P. 5903.
  10. Page K.A., Rowe B.W., Masser K.A., Faraone A. // J. Polym. Sci. B, Polym. Phys. 2014. V. 52. P. 624.
  11. Matos B.R., Santiago E.I., Rey J.F.Q., Scuracchio C.H., Mantovani G.L., Hirano L.A., Fonseca F.C. // J. Polym. Sci. B, Polym. Phys. 2015. V. 53. P. 822.
  12. Mukaddam M., Litwiller E., Pinnau I. // Macromolecules. 2016. V. 49. P. 280.
  13. Kusoglu A., Weber A.Z. // Chem. Rev. 2017. V. 117. P. 987.
  14. Прихно И.А., Сафронова Е.Ю., Стенина И.А., Юрова П.А., Ярославцев А.Б. // Мембраны и мембранные технологии. 2020. Т. 10. С. 273.
  15. Li J., Pan M., Tang H. // RSC Adv. 2014. V. 4. P. 3944.
  16. Yaroslavtsev A.B., Stenina I.A., Golubenko D.V. // Pure and Applied Chemistry. 2020. V. 92. P. 1147.
  17. Иванчев С.С., Лихоманов В.С., Приманченко О.Н., Хайкин С.Я., Барабанов В.Г., Корнилов В.В., Одиноков А.С., Кульвелис Ю.В., Лебедев В.Т., Трунов В.А. // Мембраны и мембранные технологии. 2012. Т. 2. С. 3.
  18. Gebel G. // Polymer (Guildf). 2000. V. 41. P. 5829.
  19. Mauritz K.A., Moore R.B. // Chem Rev. 2004. V. 104. P. 4535.
  20. Moukheiber E., De Moor G., Flandin L., Bas C. // J. Membrane Science. 2012. V. 389. P. 294.
  21. Haubold H.-G., Vad Th., Jungbluth H., Hiller P. // Electrochim. Acta. 2001. V. 46. P. 1559.
  22. Almeida S.H., Kawano Y. // J. Therm Anal Calorim. 1999. V. 58. P. 569–577.
  23. Corti H.R., Nores-Pondal F., Pilar Buera M. // J. Power Sources. 2006. V. 161. P. 799.
  24. Hsu W.Y., Gierke T.D. // J. Membrane Science. 1983. V. 13. P. 307.
  25. Gierke T.D., Munn G.E., Wilson F.C. // J. Polymer Science: Polymer Physics Edition. 1981. V. 19. P. 1687.
  26. Gebel G., Moore R.B. // Macromolecules. 2000. V. 33. P. 4850.
  27. Волков В.И., Слесаренко Н.А., Черняк А.В., Забродин В.А., Голубенко Д.В., Тверской В.А., Ярославцев А.Б. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. С. 214.
  28. Kreuer K.D., Ise M., Fuchs A., Maier J. // Le J. de Physique IV. 2000. V. 10. № PR7. P. Pr7-279.
  29. Озерин А.Н., Ребров А.В., Якунин А.Н., Боговцева Л.П., Тимашев С.Ф., Бакеев Н.Ф. // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1986. Т. 28. С. 254.
  30. Ребров А.В., Озерин А.Н., Ярунин А.Н., Дрейдман Н.А., Тимофеев С.В., Попков Ю.М., Бакеев Н.Ф. // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1987. Т. 29. С. 1453.
  31. Schmidt-Rohr K., Chen Q. // Nat. Mater. 2008. V. 7. P. 75.
  32. Rubatat L., Gebel G., Diat O. // Langmuir. 1998. V. 14. P. 1977.
  33. Kreuer K.D., Schuster M., Obliers B., Diat O., Traub U., Fuchs A., Klock U., Paddison S.J., Maier J. // J. Power Sources. 2008. V. 178. P. 499.
  34. Yakovlev S., Downing K.H. // Physical Chemistry Chemical Physics. 2013. V. 15. P. 1052.
  35. Cullen D.A., Koestner R., Kukreja R.S., Liu Z.Y., Minko S., Trotsenko O., Tokarev A., Guetaz L., Meyer H.M., Parish C.M., More K.L. // J. Electrochem. Soc. 2014. V. 161. P. F1111.
  36. Allen F.I., Comolli L.R., Kusoglu A., Modestino M.A., Minor A.M., Weber A.Z. // ACS Macro Lett. 2015. V. 4. P. 1.
  37. Maldonado L., Perrin J.-C., Dillet J., Lottin O. // J. Membrane Science. 2012. V. 389. P. 43.
  38. Shimoaka T., Wakai C., Sakabe T., Yamazaki S., Hasegawa T. // Physical Chemistry Chemical Physics. 2015. V. 17. P. 8843.
  39. Feng K., Hou L., Tang B., Wu P. // Physical Chemistry Chemical Physics. 2015. V. 17. P. 9106.
  40. Reucroft P.J., Rivin D., Schneider N.S. // Polymer (Guildf). 2002. V. 43. P. 5157.
  41. Волков В.И., Волков Е.В., Тимофеев С.В., Сангинов Е.А., Павлов А.А., Сафронова Е.Ю., Стенина И.А., Ярославцев А.Б. // Журн. неорганической химии. 2010. Т. 55. С. 355.
  42. Kreuer K.-D. // Solid State Ionics. 2013. V. 252. P. 93.
  43. He Q., Kusoglu A., Lucas I.T., Clark K., Weber A.Z., Kostecki R. // J. Phys. Chem. B. 2011. V. 115. P. 11650.
  44. Bass M., Berman A., Singh A., Konovalov O., Freger V. // J. Phys. Chem. B. 2010. V. 114. P. 3784.
  45. Weber A.Z., Newman J. // J. Electrochem. Soc. 2003. V. 150. P. A1008.
  46. Freger V. // J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. P. 24.
  47. Roldughin V.I., Karpenko-Jereb L. V. // Colloid J. 2017. V. 79. P. 532.
  48. Shi S., Weber A.Z., Kusoglu A. // Electrochim. Acta. 2016. V. 220. P. 517.
  49. Jalani N.H., Datta R. // J. Membrane Science. 2005. V. 264. P. 167.
  50. Moore R.B., Martin C.R. // Macromolecules. 1989. V. 22. P. 3594.
  51. Nicotera I., Coppola L., Rossi C.O., Youssry M., Ranieri G.A. // J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. P. 13935.
  52. Golubenko D.V., Safronova E.Y., Ilyin A.B., Shevlyakova N.V., Tverskoi V.A., Dammak L., Grande D., Yaroslavtsev A.B. // Mater. Chem. Phys. 2017. V. 197. P. 192.
  53. O’Dea J.R., Economou N.J., Buratto S.K. // Macromolecules. 2013. V. 46. P. 2267.
  54. Mittelsteadt C.K., Staser J. // ECS Trans. 2011. V. 41. P. 101.
  55. Fumagalli M., Lyonnard S., Prajapati G., Berrod Q., Porcar L., Guillermo A., Gebel G. // J. Phys. Chem. B. 2015. V. 119. P. 7068.
  56. Adachi M., Navessin T., Xie Z., Li F.H., Tanaka S., Holdcroft S. // J. Membrane Science. 2010. V. 364. P. 183.
  57. Zhao Q., Majsztrik P., Benziger J. // J. Phys. Chem. B. 2011. V. 115. P. 2717.
  58. Ling X., Bonn M., Domke K.F., Parekh S.H. // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2019. V. 116. P. 8715.
  59. Mekhilef S., Saidur R., Safari A. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. V. 16. P. 981.
  60. Zhao Q., Carro N., Ryu H.Y., Benziger J. // Polymer (Guildf). 2012. V. 53. P. 1267.
  61. Karpenko-Jereb L., Rynkowska E., Kujawski W., Lunghammer S., Kujawa J., Marais S., Fatyeyeva K., Chappey C., Kelterer A.-M. // Ionics (Kiel). 2016. V. 22. P. 357.
  62. Jung B., Moon H.-M., Baroña G.N.B. // J. Power Sources. 2011. V. 196. P. 1880.
  63. Skou E., Kauranen P., Hentschel J. // Solid State Ionics. 1997. V. 97. P. 333.
  64. Chaabane L., Dammak L., Grande D., Larchet C., Huguet P., Nikonenko S.V., Nikonenko V.V. // J. Membrane Science. 2011. V. 377. P. 54.
  65. Kreuer K.-D. // Hydrogen-Transfer Reactions. P. 709.
  66. Paddison S.J. // Annual Review of Materials Research. 2003. V. 33. P. 289.
  67. Shi S., Dursch T.J., Blake C., Mukundan R., Borup R.L., Weber A.Z., Kusoglu A. // J. Polym. Sci. B, Polym. Phys. 2016. V. 54. P. 570.
  68. Stenina I.A., Yaroslavtsev A.B. // Membranes (Basel). 2021. V. 11. P. 198.
  69. Котов В.Ю., Ярославцев А.Б. // Известия РАН, Серия химическая. 2002. № 4. С. 515.
  70. Ochi S., Kamishima O., Mizusaki J. // Solid State Ionics. 2009. V. 180. P. 580.
  71. Zawodzinski T.A., Springer T.E., Uribe F., Gottesfeld S. // Solid State Ionics. 1993. V. 60. P. 199.
  72. Mabuchi T., Tokumasu T. // J. Phys. Chem. B. 2018. V. 122. P. 5922.
  73. Safronova E.Y., Volkov V.I., Yaroslavtsev A.B. // Solid State Ion. 2011. V. 188. P. 129.
  74. Ogata Y., Abe T., Yonemori S., Yamada N.L., Kawaguchi D., Tanaka K. // Langmuir. 2018. V. 34. P. 15483.
  75. Seo S.H., Lee C.S. // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: J. Mechanical Engineering Science. 2010. V. 224. P. 2211.
  76. Slade S.M., Ralph T.R., Ponce de León C., Campbell S.A., Walsh F.C. // Fuel Cells. 2010. V. 10. P. 567.
  77. Siroma Z., Kakitsubo R., Fujiwara N., Ioroi T., Yamazaki S., Yasuda K. // J. Power Sources. 2009. V. 189. P. 994.
  78. Tsampas M.N., Pikos A., Brosda S., Katsaounis A., Vayenas C.G. // Electrochim. Acta. 2006. V. 51. P. 2743.
  79. Yaroslavtsev A.B. // Inorganic Materials. 2012. V. 48. P. 1193.
  80. Jiang R., Mittelsteadt C.K., Gittleman C.S. // J. Electrochem. Soc. 2009. V. 156. P. 1440.
  81. Cooper K.R. // ECS Trans. 2011. V. 41. P. 1371.
  82. Thompson E.L., Capehart T.W., Fuller T.J., Jorne J. // J. Electrochem. Soc. 2006. V. 153. P. A2351.
  83. Siu A., Schmeisser J., Holdcroft S. // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. P. 6072.
  84. Zhao N., Edwards D., Lei C., Wang K., Li J., Zhang Y., Holdcroft S., Shi Z. // J. Power Sources. 2013. V. 242. P. 877.
  85. Economou N.J., O’Dea J.R., McConnaughy T.B., Buratto S.K. // RSC Adv. 2013. V. 3. P. 19525.
  86. Peckham T.J., Schmeisser J., Holdcroft S. // J. Phys. Chem. B. 2008. V. 112. P. 2848.
  87. Liu L., Chen W., Li Y. // J. Membrane Science. 2016. V. 504. P. 1.
  88. Berezina N.P., Timofeev S.V., Kononenko N.A. // J. Membrane Science. 2002. V. 209. P. 509.
  89. DeBonis D., Mayer M., Omosebi A., Besser R.S. // Renew Energy. 2016. V. 89. P. 200.
  90. Xu F., Leclerc S., Lottin O., Canet D. // J. Membrane Science. 2011. V. 371. P. 148.
  91. Сафронова Е.Ю., Стенина И.А., Ярославцев А.Б. // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7. С. 77.
  92. Kusoglu A., Cho K.T., Prato R.A., Weber A.Z. // Solid State Ionics. 2013. V. 252. P. 68.
  93. Tang Z., Keith R., Aaron D.S., Lawton J.S., Papandrew A.P., Zawodzinski T.A., Jr. // ECS Trans. 2012. V. 41. P. 25.
  94. Berezina N.P., Kononenko N.A., Dyomina O.A., Gnusin N.P. // Adv. Colloid Interface Sci. 2008. V. 139. P. 3.
  95. Zawodzinski T.A., Derouin C., Radzinski S., Sherman R.J., Smith V.T., Springer T.E., Gottesfeld S. // J. Electrochem. Soc. 1993. V. 140. P. 1041.
  96. Ise M., Kreuer K.D., Maier J. // Solid State Ionics. 1999. V. 125. P. 213.
  97. Xu F., Leclerc S., Stemmelen D., Perrin J.-C., Retournard A., Canet D. // J. Membrane Science. 2017. V. 536. P. 116.
  98. Falina I.V., Zabolotsky V.I., Demina O.A., Sheldeshov N.V. // J. Membrane Science. 2019. V. 573. P. 520.
  99. Фалина И.В., Кононенко Н.А., Шкирская С.А., Демина О.А., Вольфкович Ю.М., Сосенкин В.Е., Грицай М.В. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. С. 323.
  100. Jayakody J.R.P., Stallworth P.E., Mananga E.S., Farrington-Zapata J., Greenbaum S.G. // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108. P. 4260.
  101. Stenina I.A., Sistat Ph., Rebrov A.I., Pourcelly G., Yaroslavtsev A.B. // Desalination. 2004. V. 170. P. 49.
  102. Godino M.P., Barragán V.M., Villaluenga J.P.G., Izquierdo-Gil M.A. // Separation and Purification Technol. 2015. V. 148. P. 10.
  103. Boakye E.E., Yeager H.L. // J. Membrane Science. 1992. V. 69. P. 155.
  104. Larchet C., Auclair B., Nikonenko V. // Electrochim Acta. 2004. V. 49, № 11. P. 1711.
  105. Апель П.Ю., Велизаров С., Волков А.В., Елисеева Т.В., Никоненко В.В., Паршина А.В., Письменская Н.Д., Попов К.И., Ярославцев А.Б. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. С. 81.
  106. Belov N.A., Alentiev A.Y., Pashkevich D.S., Voroshilov F.A., Dvilis E.S., Nikiforov R.Y., Chirkov S. V., Syrtsova D.A., Kostina J.V., Ponomarev I.I., Asanov I.P., Bogdanova Y.G. // Polymers. 2022. V. 14. P. 5152.
  107. Volkov A.O., Golubenko D. V., Yaroslavtsev A.B. // Separation and Purification Technol. 2021. V. 254. P. 117562.
  108. Mohamed H.F.M., Ito K., Kobayashi Y., Takimoto N., Takeoka Y., Ohira A. // Polymer (Guildf). 2008. V. 49. P. 3091.
  109. Ban S., Huang C., Yuan X.-Z., Wang H. // J. Phys. Chem. B. 2011. V. 115. P. 11352.
  110. Ямпольский Ю.П. // Успехи химии. 2007. Т. 76. С. 66.
  111. Zhang L., Ma C., Mukerjee S. // Electrochim. Acta. 2003. V. 48. P. 1845.
  112. Ohira A., Kuroda S. // Eur. Polym. J. 2015. V. 67. P. 78.
  113. Novitski D., Holdcroft S. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015. V. 7. P. 27314.
  114. Catalano J., Myezwa T., De Angelis M.G., Baschetti M.G., Sarti G.C. // Int. J. Hydrogen Energy. 2012. V. 37. P. 6308.
  115. Schalenbach M., Hoeh M.A., Gostick J.T., Lueke W., Stolten D. // J. Phys. Chem. C. 2015. V. 119. P. 25156.
  116. Stenina I., Golubenko D., Nikonenko V., Yaroslavtsev A. // Int. J. Molecul. Sci. 2020. V. 21. P. 5517.
  117. Takeuchi K., Kuo A.-T., Hirai T., Miyajima T., Urata S., Terazono S., Okazaki S., Shinoda W. // J. Phys. Chem. C. 2019. V. 123. P. 20628.
  118. Xing Y., Li H., Avgouropoulos G. // Materials. 2021. V. 14. P. 2591.
  119. Wilberforce T., Ijaodola O., Ogungbemi E., Khatib F.N., Leslie T., El-Hassan Z., Thomposon J., Olabi A.G. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. V. 113. P. 109286.
  120. Zhao J., Li X. // Energy Convers Manag. 2019. V. 199. P. 112022.
  121. Macauley N., Wong K.H., Watson M., Kjeang E. // J. Power Sources. 2015. V. 299. P. 139.
  122. Ren X., Myles T.D., Grew K.N., Chiu W.K.S. // J. Electrochem. Soc. 2015. V. 162. P. F1221.
  123. Ma S., Skou E. // Solid State Ionics. 2007. V. 178. P. 615.
  124. Эрдни-Горяев Э.М., Алентьев А.Ю., Бондаренко Г.Н., Ярославцев А.Б., Сафронова Е.Ю., Ямпольский Ю.П. // Мембраны и мембранные технологии. 2015. Т. 5. С. 167.
  125. Жиляева Н.А., Миронова Е.Ю., Ермилова М.М., Орехова Н.В., Бондаренко Г.Н., Дьякова М.Г., Шевлякова Н.В., Тверской В.А., Ярославцев А.Б. // Мембраны и мембранные технологии. 2016. Т. 6. С. 382.
  126. Campos A.C.C., Dos Reis R.A., Ortiz A., Gorri D., Ortiz I. // Ind. Eng. Chem. Res. 2018. V. 57. P. 10071.
  127. Liu Z., Zhang L., Li L., Zhang S. // Separation and Purification Technol. 2019. V. 218. P. 20.
  128. Saito M., Tsuzuki S., Hayamizu K., Tatsuhiro O. // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. P. 24410.
  129. Godino M.P., Barragán V.M., Villaluenga J.P.G., Izquierdo-Gil M.A., Ruiz-Bauzá C., Seoane B. // Chem. Engineering J. 2010. V. 162. P. 643.
  130. Rottiers T., Van der Bruggen B., Pinoy L. // Ind. Eng. Chem. Res. 2016. V. 55. P. 8215.
  131. Kusoglu A., Tang Y., Lugo M., Karlsson A.M., Santare M.H., Cleghorn S., Johnson W.B. // J. Power Sources. 2010. V. 195. P. 483.
  132. Safronova E., Golubenko D., Pourcelly G., Yaroslavtsev A. // J. Membrane Science. 2015. V. 473. P. 218.
  133. Tang Y., Karlsson A.M., Santare M.H., Gilbert M., Cleghorn S., Johnson W.B. // Materials Science and Engineering: A. 2006. V. 425. P. 297.
  134. Kawano Y., Wang Y., Palmer R.A., Aubuchon S.R. // Polímeros. 2002. V. 12. P. 96.
  135. Arcella V., Troglia C., Ghielmi Alessandro. // Ind. Eng. Chem. Res. 2005. V. 44. P. 7646.
  136. Dafalla A.M., Jiang F. // Int. J. Hydrogen Energy. 2018. V. 43. P. 2327.
  137. Satterfield M.B., Benziger J.B. // J. Polym. Sci. B, Polym. Phys. 2009. V. 47. P. 11.
  138. Zhao Q., Benziger J. // J. Polym. Sci. B, Polym. Phys. 2013. V. 51. P. 915.
  139. Page K.A., Cable K.M., Moore R.B. // Macromolecules. 2005. V. 38. P. 6472.
  140. Teocoli F., Paolone A., Palumbo O., Navarra M.A., Casciola M., Donnadio A. // J. Polym. Sci. B, Polym. Phys. 2012. V. 50. P. 1421.
  141. Bauer F., Denneler S., Willert-Porada M. // J. Polym. Sci. B, Polym. Phys. 2005. V. 43. P. 786.

© Е.Ю. Сафронова, А.А. Лысова, 2023