1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Мембраны и мембранные технологии
  4. T. 13, № 6, 2023

Мембраны и мембранные технологии, 2023, T. 13, № 6, стр. 435-451

Перфторированные сульфосодержащие полимерные мембраны: микроструктура и основные функциональные свойства

Е. Ю. Сафронова a, *, А. А. Лысова a

a Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский просп., 31, Россия

* E-mail: safronova@igic.ras.ru

Поступила в редакцию 26.06.2023
После доработки 28.07.2023
Принята к публикации 07.08.2023

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.

Ключевые слова: перфторсульфополимер, ионообменная мембрана, Nafion, ионная проводимость, микроструктура, газопроницаемость, механические свойства

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.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Мембраны и мембранные технологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал