직접 메탄올 연료전지용 Poly(ethylene glycol)(PEG)/Sulfonated Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane(sPOSS) 하이브리드 막의 제조

Abstract

세 개의 glycidyl기와 다섯 개의 알킬기(isobutyl기)가 cage에 결합되어 있는 구조의 polyhedral oligomeric silsesquioxane(POSS)를 4-hydroxybenzenesulfonic acid와 반응시켜 술폰산기를 도입하고, 친수성 고분자인 Poly(ethylene glycol)(PEG)와 우레탄 반응을 통해 가교된 구조의 유-무기 나노복합체 막을 제조하였다. XRD와 DSC 분석결과 PEG/sPOSS 나노복합체 막 내에 sPOSS의 함량이 증가함에 따라 고분자 막의 결정성이 감소하고, 용융온도와 결정화 온도가 낮은 온도로 이동하였다. 또한 TGA 분석결과 sPOSS가 첨가됨에 따라 PEG/sPOSS 나노복합체의 열 안정성이 증가하는 것을 알 수 있었다. PEG/sPOSS 나노복합체 막 내에 sPOSS의 함량이 증가함에 따라 수소 이온 전도도는 증가하였고, 메탄올 투과도는 감소하였다. NCO/OH=0.75의 비에 해당하는 양의 polyisocyanate를 사용하고 sPOSS의 함량이 50wt% 첨가된 PEG/sPOSS 나노복합체 막의 25℃에서 수소 이온 전도도는 0.113 S/cm 로서 같은 조건에서 실험한 Nafion 117의 수소 이온 전도도 값인 0.134 S/cm와 비슷한 값으로 나타났고, 메탄올 투과도는 2.61×10^(-7) ㎠/s 으로 같은 조건에서 실험한 Nafion 117의 메탄올 투과도에 비해 약 1/10 수준으로 감소하였다. PEG/sPOSS 나노복합체 막의 함수율은 가교도가 증가함에 따라 감소하였고, 고분자 전해질 막 내의 sPOSS의 함량이 증가함에 따라 감소하였다. PEG/sPOSS 나노복합체 막의 이온 교환 용량은 고분자 전해질 막 내의 sPOSS 함량이 증가할수록 거의 직선적으로 증가하였으며, 가교도의 변화에 따라서는 큰 변화가 없었다. PEG/sPOSS 나노복합체 막의 선택도는 25℃에서 전해질 막의 조성과 가교도 변화에 따라 모든 경우에 Nafion 117의 선택도에 비해 높게 나타났다.; Organic-inorganic hybrid membranes based on poly(ethylene glycol)(PEG) and sulfonated polyhedral oligomeric silsesquioxane (sPOSS), crosslinked by polyisocyanate, were prepared as candidate materials for methanol-based PEM fuel cells. Infrared (FT-IR) spectroscopy and ion exchange capacity measurements for the prepared networks clearly revealed sPOSS incorporation. We found that proton conductivity increased and methanol permeability decreased with increasing sPOSS content in the hybrid membrane. In particular, our hybrid membranes demonstrated proton conductivities as high as 1.1×10^(-1) S/cm at room temperature, which is comparable to that Nafion&^(TM), while exhibiting one order-of-magnitude lower methanol permeability as compared to Nafion&^(TM). We postulate that the polar sulfonic acid groups of the incorporated sPOSS cages assemble to provide ion conduction paths while the hydrophobic portions of the same sPOSS cages combine to form a barrier to methanol permeation with improved thermal stability of the hybrid membrane. Taken together, these features afford the new sPOSS-PEG hybrid membranes great potential as candidates for PEM direct methanol fuel cells.