Yeni proton iletken polimer membranların geliştirilmesi ve membrandaki yapı-özellik ilişkisinin incelenmesi

Polimer elektrolit membranlı yakıt pilleri (PEMYP), tasarım kolaylığı, yüksek güç yoğunluğu ve enerji dönüşüm verimi ve düşük çalışma sıcaklığı nedeniyle otomotiv ve taşınabilir güç kaynağı uygulamalarında en umut verici yakıt pili tekniği olarak dikkat çekmektedir. Polimer elektrolit membran (PEM), yüksek proton iletkenlik ve kullanım ömrü gibi yakıt pili performansına olan doğrudan etkisi nedeniyle PEMYP'nin en önemli bileşenidir. Yakıt pilinde yaygın olarak kullanılan Nafionun yüksek üretim maliyetleri ve yapısında yüksek oranda flor içermesinden dolayı duyulan çevresel endişeler, yeni membran malzemelerinin tasarımına ihtiyaç doğurmuştur. Bu çalışmada, PEM malzemesi olarak tasarlanan çok kollu yıldız blok kopolimer, yıldız blok ve aşı blok iyonomerler sentezlenerek proton iletken membran oluşturma özellikleri ve PEMYP performansları belirlenmiştir. Serbest radikal polimerizasyonu yaygın şekilde malzeme sentezinde kullanılıyor olmasına rağmen, iyonik polimerizasyondaki gibi bileşimleri ve fonksiyonaliteleri üzerinde etkili kontrolden yoksundur. Atom transfer radikal polimerizasyonu (ATRP), nitroksit ortamlı radikal polimerizasyonu (NMP), ve tersinir eklenme-ayrılma zincir transfer polimerizasyonu (RAFT) olmak üzere kontrollü/yaşayan radikal polimerizasyon (C/LRP) yöntemleri çok yönlü sentetik araçlar olup, molekül ağırlığı tam olarak kontrol edilebilen, oldukça düşük molekül ağırlığı dağılımları ile farklı kompozisyonlarda (blok, aşı, alternatif dönüşümlü kopolimerler), ve çeşitli fonksiyonitelere sahip yeni bir (ko) polimerlerin hazırlanmasını sağlar. Çok yönlü, verimli, özel ve enerji olarak tercih edilen kimyasal reaksiyonlar anlamına gelen "click" terimi ilk sentetik kimyada daha sonraları polimer ve malzeme biliminde son derece popüler evrensel araçlar haline gelmiştir. Son zamanlarda, "click" reaksiyonları, özellikle Cu (I)-katalizli azit-alkin siklokatılma (CuAAC) reaksiyonu ve Diels-Alder reaksiyonu ileri makromoleküler tasarım için son derece güçlü araçlar olarak gösterilmiştir. Bu tezde, kontrollü/"yaşayan" radikal polimerizasyon (C/LRP) yöntemlerinden biri olan atom transfer radikal polimerizasyon, click kimyası ve post-sülfonasyon yöntemlerini kullanarak iyi tanımlanmış yapıda yeni proton iletken polimerler başarıyla sentezlenmiştir. Sentezlenen yapılar; iyonik ve hidrofobik bloklar arasında nano- ve mikroskopik faz ayrımı meydana getirmesi için uyarlanmış florsuz iyonik ve florlu hidrofobik bloklara sahip çok kollu yıldız ve yıldız blok kopolimer iyonomer, yıldız-blok ve aşı blok kopolimer iyonomerlerdir. İlk çalışmada, 15, 11 ve 6 kol sayısında PS yıldız polimer ve polistiren-b-poli(2,2,3,3,3-pentafloropropil metakrilat) (PS-b-PFPMA) yıldız blok kopolimerler kol öncelikli yaklaşımla ATRP ve Diels-Alder click reaksiyonu kullanılarak hazırlanmıştır. İkinci çalışmada, 3-kollu yıldız (PS)3, 3- kollu yıldız PFPMA (PFPMA)3, 3- kollu yıldız (PFPMA-b-PS)3 blok kopolimerleri çekirdek öncelikli yaklaşımla ATRP yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. CuAAC ve Diels–Alder click reaksiyonları ile tek aşamada poli(pentafloropropil metakrilat)-b-poli(antiril metakrilat)-g-(polistiren) (PFPMA-b-PAnMMA-g-PS) aşı blok kopolimerinin hazırlanması bu çalışmanın üçüncü aşamasıdır. Tüm polimerler, PS bloğunun fenil halkasının sülfonasyonuyla iyonomerlerine dönüştürülmüştür. Sülfonlu çok kollu yıldız blok kopolimer, 3-kollu yıldız blok ve aşı blok kopolimer ve sülfonlu polifenilen oksit (SPPO) ile karışım membranlarından oluşan proton iletken membranların hazırlanması çözücülü dökme yöntemi ile gerçekleşmiştir. Karışım membranlar, membran esnekliğini artırmak için hazırlanmıştır. Kol sayısı ve sülfonik asit içeriğinin etkisini araştırmak için iyonik iletkenlikleri, su tutma kapasiteleri, termal ve kimyasal dayanıklılığının belirlenmesi kapsamında membranların karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, farklı iyon değişim kapasiteleri, farklı kol sayısı, membranın hidrasyonu ve yıldız blok iyonomerlerinin molekül ağırlığının yapı-özellik üzerine etkisini araştırmak için yıldız, yıldız blok iyonomer ve membranlarının morfolojisi Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Küçük Açılı X-Işını Saçılımı (SAXS) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) teknikleriyle karakterize edilmiştir. Son olarak, daha esnek ve yüksek proton iletkenliğini içeren uygun özelliklere sahip 3-kollu ve aşı blok kopolimer iyonomerlerin SPPO ile karışım polimer elektrolit membranları seçilmiş ve tek hücre proton iletken membran yakıt pili (PEMYP) performansları ölçülmüştür.