Structural Features of 4-VP-HEMA-SiO 2  Hybrid Membranes and Their Proton Conductivity

O. V. Lebedeva; Лебедева О. В.; T. V. Raskulova; Раскулова Т. В.; S. A. Beznosyuk; Безносюк С. А.; A. V. Ryabykh; Рябых А. В.; L. V. Fomina; Фомина Л. В.; E. I. Sipkina; Сипкина Е. И.

doi:10.31857/S2218117223020049

Structural Features of 4-VP-HEMA-SiO₂ Hybrid Membranes and Their Proton Conductivity

Authors: Lebedeva O.V.¹, Raskulova T.V.², Beznosyuk S.A.³, Ryabykh A.V.³, Fomina L.V.², Sipkina E.I.¹
Affiliations:
1. Irkutsk National Research Technical University
2. Angarsk State Technical University
3. Altai State University
Issue: Vol 13, No 2 (2023)
Pages: 110-116
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/2218-1172/article/view/137993
DOI: https://doi.org/10.31857/S2218117223020049
EDN: https://elibrary.ru/HYVVXZ
ID: 137993

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Hybrid organic-inorganic membranes based on tetraethoxysilane and orthophosphoric acid-doped copolymers of 4-vinylpyridine (4-VP) and 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) were formed by the sol-gel synthesis method. The membranes are characterized by high values of exchange capacity and proton conductivity. An increase in the proton conductivity of hybrid organo-inorganic membranes compared to the initial copolymer can be associated with the generation of water of crystallization during the formation of a silicon dioxide fragment, which follows from quantum-chemical modeling of the local structure of the membrane, which includes an organic part from the copolymerization product of 4-VP with HEMA (44 atoms) and an inorganic part of 27 atoms, repeating the structure of the silicon dioxide block.

Keywords

hybrid organic-inorganic membranes, proton conductivity, quantum-chemical calculation

References

Honma J., Nakayama H., Nishikawa O., Sugimoto T., Nomura S. Organic/inorganic nano-composites for high temperature proton conducting polymer electrolytes // Solid State Ionics. 2003. V. 162–163. P. 237.
Ярославцев А.Б. Основные направления разработки и исследования твердых электролитов // Успехи химии. 2016. Т. 85. № 11. С. 1255–1277.
Ivanov V.S., Yegorov A.S., Allakhverdov G.R., Men’shikov V.V. Synthesis and investigation of polyimide-based proton-exchange membranes containing polysiloxane and crow nether moiety // Oriental J. Chemistry. 2018. V. 34. № 1. P. 255–264.
Guizhen Guo, Sun Youyi, Fu Qiang, MaYibing, Zhou Yaya, Xiong Zhiyuan, Liu Yaqing. Sol-gel synthesis of ternary conducting polymer hydrogel for application in all-solid-state flexible supercapacitor // International J. hydrogen energy. 2019. V. 44. P. 6103–6115.
Zhang Xiaoyu, Shiyuan Yu, Qian Zhu, Lianhua Zhao. Enhanced anhydrous proton conductivity of SPEEK/IL composite membrane embedded with am nofunctionalized mesoporous silica // International J. hydrogen energy.2019. V. 44. P. 6148–6159.
Wang Yuanyuan, Xu Jingmei, Zang Huan, Wang Zhe. Synthesis and properties of sulfonated poly(arylene ether ketone sulfone) containing amino groups/functional titania inorganic particles hybrid membranes for fuel cells // International J. hydrogen energy. 2019. V. 44. P. 6136–6147.
Brijesh K., Bindu K., Shanbhag Dhanush, Nagaraja H.S. Chemically prepared Polypyrrole/ZnWO4 nanocomposite electrodes for electrocatalytic waters plitting // International J. hydrogen energy. 2019. V. 44. № 2. P. 757–767.
Маркова М.В., Могнонов Д.М., Морозова Л.В., Михалева А.И., Трофимов Б.А. Композиционные протонпроводящие мембраны на основе поливинилглицидилового эфира этиленгликоля // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. 2014. Т. 56. № 2. С. 216–225.
Roy S., Saha S., Kumar A.G., Ghorai A., Banerjee S. Synthesis and characterization of new sulfonated copolytriazoles and their proton exchange membrane properties // J. applied polymer science. 2020. V. 137. P. 48514.
Сафронова Е.Ю., Паршина А.В., Янкина К.Ю., Рыжкова Е.А., Лысова А.А., Бобрешова О.В., Ярославцев А.Б. Гибридные материалы на основе мембран МФ-4СК и гидратированных оксидов кремния и циркония с функционализированной поверхностью, содержащей сульфогруппы: транспортные свойства и характеристика ПД-сенсоров в растворах аминокислот при различных рН // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7. № 11. С. 110116.
Караванова Ю.А., Пономарев И.И., Стенина И.А., Волкова Ю.А. Исследование ионной проводимости ионообменных мембран на основе сульфированного полинафтилимида, допированных оксидом церия // Мембраны и мембранные технологии. 2018. Т. 8. № 2. С. 102–106.
Prikhno I.A., Safronova E.Y., Ilyin A.B. Hybrid membranes synthesized from a Nafion powder and carbon nanotubes by hot pressing // Petroleum Chemistry. 2017. V. 57. № 13. P. 1228–1232.
Ярошенко Ф.А., Бурмистров В.А. Синтез и исследование протонной проводимости гибридных материалов на основе перфторированных сульфокатионитных мембран МФ-4СК, модифицированных полисурьмяной кислотой // Мембраны и мембранные технологии. 2018. Т. 8. № 4. С. 249–253.
Brijesh K., Bindu K., Dhanush Shanbhag, Nagaraja H.S. Chemically prepared Polypyrrole/ZnWO4 nanocomposite electrodes for electrocatalytic water splitting // International J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. Issue 2. P. 757–767.
Pan H., Zhang Ya., Pu H., Chang Z. Organic-inorganic hybrid proton exchange membrane based on polyhedral oligomeric silsesquioxanes and sulfonated polyimides containing benzimidazole // J. Sources of energy. 2014. V. 263. P. 195–202.
Lebedeva O.V., Pozhidaev Y.N., Sipkina E.I., Chesnokova A.N., Ivanov N.A. Copolymers and proton conducting films based on N-vinylpyrazole // Advanced Materials Research. 2013. V. 749. P. 71–76.
Лебедева О.В., Сипкина Е.И., Пожидаев Ю.Н. Гибридные мембраны на основе диоксида кремния и сополимеров 2-гидроксиэтилметакрилата с 4-винилпиридином //Мембраны и мембранные технологии. 2016. Т. 6. № 2. С. 138–143.
Emelyanov A.I., Lebedeva O.V., Malakhova E.A., Raskulova T.V., Pozhidaev Y.N., Verkhozina Y.A., Larina L.I., Korzhova S.A., Prozorova G.F., Pozdnyakov A.S. Acid–base membranes for solid polymer fuel cells // Membranes and membrane technologies. 2021. V. 3. № 3. P. 147–154.
Chesnokova A., Lebedeva O.V., Pozhidaev Y.N., Malakhova E.A., Raskulova T.V., Kulshrestha V., Kuzmin A.V., Pozdnyakov A.S. New non-fluoridated hybrid proton exchange membranes based on commercial precursors // International J. hydrogen energy. 2020. V. 45. № 37. P. 18 716–18 730.
Осипов А.К., Прихно И.А., Ярославцев А.Б. Ионный перенос в гибридных мембранах на основе перфторсульфополимеров // Мембраны и мембранные технологии. 2018. Т. 8. № 6. С. 406–410.
Neese F. The ORCA program system // Wiley interdisciplinary Reviews—Computational Molecular Science. 2012. V. 2. P. 73–78.
Becke A.D. Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior // Phys. Rev. A. 1988. V. 38. P. 3098.
Perdew J.P. Density-functional approximation for the correlation energy of the inhomogeneous electron gas // Phys. Rev. B. 1986. V. 33. P. 8822.
Weigend F., Ahlrichs R. Balanced basis sets of split valence, triple zeta valence and quadruple zeta valence quality for H to Rn: Design and assessment of accuracy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2005. V. 7. P. 3297.
Фомина Л.В., Малахова Е.А., Лебедева О.В., Пожидаев Ю.Н., Безносюк С.А., Фомин А.С., Раскулова Т.В. Механизм протонной проводимости ионпроводящих мембран на основе полисилсесквиоксанов // Вестник Ангарского Государственного Технического Университета. 2019. № 13. С. 81–89.
Лебедева О.В., Пожидаев Ю.Н., Шаглаева Н.С., Поздняков А.С., Бочкарева С.С. Полимерные электролиты на основе азотистых оснований // Химическая технология. 2010. Т. 11. № 1. С. 20–25.
Chesnokova A.N., Lebedeva O.V., Pozhidaev Y.N., Iva-nov N.A., Rzhechitskii A.E. Synthesis and properties of composite membranes for polymer electrolyte membrane fuel cells // Advanced Materials Research. 2014. V. 884–885. C. 251–256.
Добрянская Г.И., Зуб Ю.Л., Барчак М., Дабровский А. Синтез и структурно-адсорбционные характеристики бифункциональных ксерогелей, содержащих метильные и 3-меркаптопропильные группы // Коллоидный журн. 2006. Т. 68. № 5. С. 601–611.
Андрианов К.А. Кремнийорганические соединения. М.: Госхимиздат, 1955. 385 с.