Ion exchange membranes, based on SEBS, for application in fuel cells

Abstract

"The indirect sulfonation, via chloromethylation, of poly(styrene-(ethylene-butylene)-styrene) copolymer (polySEBS), under mild conditions, is here reported as an alternative route for the conventional use of chlorosulfonic acid. This indirect sulfonation reaction is an effective route to insert sulfonic groups in the aromatic rings of SEBS to impart it a proton exchange capability. The chloromethylated polySEBS was chemically modified by isothiouronium group, afterwards hydrolysed and oxidized to generate sulfonic acid groups selectively into the aromatic portion (polystyrene) of the polySEBS, at high extent. In this thesis, the chloromethylated and sulfonated polymeric membranes were characterized and compared by NMR, FT-IR, water uptake, TGA, ion exchange capacity (IEC), and ion conductivity. The obtained results show that as the oxidation time increased, in performic acid, the water uptake achieved up to 79.6% due to the conversion of isothiouronium to the sulfonic acid groups into the polymer structure. Furthermore, the sample after 7 hours of oxidation reaction (sSEBS-7H) achieved 59% of sulfonation, determined by RMN, and had an IEC value of 1.46 meq/g and also an ion conductivity value of 18.7 mS/cm at RT, which are 46% and 75% higher than those values of Nafion 117, a commercial polymer conventionally used for proton exchange membranes (PEM). Thus, the as-prepared sSEBS-7H membrane, via chloromethylation, can be used for PEM in fuel cells since it exhibits good ionic conductivity and structural stability."

"La sulfonación indirecta (vía clorometilación) del polímero copoli(estireno(etileno-butileno)-estireno) (polySEBS), es una ruta alternativa al uso convencional del ácido clorosulfónico para dicho fin. La reacción de sulfonación indirecta es una vía efectiva para insertar grupos sulfónicos en los anillos aromáticos de los bloques estirénicos del polySEBS para conferirle capacidad de intercambio de protones. En esta tesis, el polySEBS clorometilado fue modificado químicamente por el grupo isotiouronio, posteriormente hidrolizado y oxidado para generar grupos sulfónicos selectivamente en la porción aromática (poliestireno) del polySEBS. Las membranas poliméricas clorometiladas y sulfonadas fueron caracterizadas y comparadas por RMN, FT-IR, absorción de agua, TGA, capacidad de intercambio iónico (IEC) y conductividad iónica. Los resultados obtenidos muestran que, a medida que aumentó el tiempo de oxidación en ácido perfórmico, la absorción de agua alcanzaba hasta el 79.6% debido a la conversión de isotiouronio a los grupos sulfónicos en la estructura del polímero. Además, la muestra después de 7 horas de reacción de oxidación (sSEBS-7H) alcanzó el 59% de sulfonación, determinado por RMN, el cual tenía un valor de IEC de 1.46 meq/g y también un valor de conductividad iónica de 18.7 mS/cm a temperatura ambiente, que son valores 46% y 75% más altos que los del Nafion 117, un polímero comercial covencionalmente utilizado como PEM (Proton exchange membrane, por sus siglas en inglés). Por lo tanto, la membrana sSEBS-7H preparada, a través de la clorometilación, puede ser utilizada como una membrana intercambiadora de protones en celdas de poder, ya que exhibe una buena conductividad iónica y estabilidad estructural."