Digital oscillography of proton-conductive polymer membranes

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Polyvinyl alcohol-based cast membranes have promising application in creating commonly available fuel cells and fuel synthesizers, as well as inexpensive water sources and microelectromechanical systems. In order to control the properties of such membranes a deep understanding of the charge transfer mechanisms and their relationship with the structure formed at a certain composition and manufacturing technology is required. A method for studying the structure of the proton-conductive polymer membranes using digital oscillography of ion currents excited by the low-frequency rectangular pulses with the amplitudes below the threshold voltage of the ionic conductivity in a dehydrated membrane, and for the analysis of the resulting ion current pulses (spikes) in the frames of the model of a proton pump acting in each layer of the membrane is proposed in this paper. Fast Fourier transform of these oscillograms reveals from 2 to 4 branches or spike sequences corresponding to the phases with different ionic conductivity and makes it possible to determine the thicknesses of both high-conductivity phase layers (7–30 µm) and low-conductivity phase interlayers (1–7 µm) formed in the process of polymerization. The reason of spike merging into bursts is described in terms of successively induced increase in the excited proton density over a threshold value in highly conductive layers. The resonance observed in dry proton membranes at the frequencies of about 2.2 to 3.0 kHz is interpreted as the burst merge point with the further increase in impedance due to proton lagging and respective decrease in the effective thickness of active layers. The effective charge carrier concentrations (as small as 1012 to 1013 cm−3) and the velocity (from 5 to 18 cm/s for the highly conductive phases which turned out to be much higher than those observed in solutions) are estimated. The asymmetry of the cast membranes, which becomes apparent at low frequencies and causes the generation of a direct ion current in response to excitation by a purely alternating current, is studied. It is found that the apparent conductivity determining contribution to the total ohmic resistance is made by a thin interlayer with a very low ion velocity, presumably surface layer, rather than the main layers. The conclusion on the optimization of the production technology and the composition of the proton membranes for various applications is made.

Авторлар туралы

Igor' Prokhorov

Federal State Institution «A. A. Galkin Donetsk Physical and Technical Institute»

72, R. Luxemburg Str., Donetsk, 83114

Әдебиет тізімі

  1. Wong C. Y., Wong W. Y., Loh K. S., Daud W. R. W., Lim K. L., Khalid M., Walvekar R. Development of poly (vinyl alcohol)-based polymers as proton exchange membranes and challenges in fuel cell application: A Review // Polymer Reviews. 2020. Vol. 60, iss. 1. P. 171–202. https://www.doi.org/10.1080/15583724.2019.1641514
  2. Altaf F., Gill R., Batool R., Drexler M., Alamgir F., Abbas G., Jacob K. Proton conductivity and methanol permeability study of polymer electrolyte membranes with range of functionalized clay content for fuel cell application // European Polymer Journal. 2019. Vol. 110, iss. 1. P. 155–167. https://www.doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2018.11.027
  3. Kononova S. V., Gubanova G. N., Korytkova E. N., Sapegin D. A., Setnickova K., Petrychkovych R., Uchytil P. Polymer Nanocomposite Membranes // Appl. Sci. 2018. Vol. 8. Article number 1181. 42 p. https://doi.org/10.3390/app8071181
  4. Selim A., Toth A. J., Fozer D., Süvegh K., Mizsey P. Facile preparation of a laponite/PVA mixed matrix membrane for efficient and sustainable pervaporative dehydration of C1–C3 alcohols // ACS Omega. 2020. Vol. 5. P. 32373–32385. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c04380
  5. Abu-Saied M. A., Soliman E. A., Abualnaj K. M., El Desouky E. Highly conductive polyelectrolyte membranes polyvinyl alcohol)/poly (2-acrylamido-2-methyl propane sulfonic acid) (PVA/PAMPS) for fuel cell application // Polymers. 2021. Vol. 13. Article number 2638. 14 p. https://doi.org/10.3390/polym13162638
  6. Kellner M., Radovanovic P., Matovic J., Liska R. Novel cross-linkers for asymmetric poly-AMPS-based proton exchange membranes for fuel cells // Designed Monomers and Polymers. 2014. Vol. 17, iss. 4. P. 372–379. https://doi.org/10.1080/15685551.2013.840513
  7. Thai P. T. N., Pham X. M., Nguyen T. B., Le T. M., Tran C. B. V., Phong M. T., Tran L.-H. Preparation and characterization of PVA thin-film composite membrane for pervaporation dehydration of ethanol solution // IOP Conf. Series : Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 947. Article number 012010. 10 p. https://doi.org/10.1088/1755-1315/947/1/012010
  8. Zhao D., Li M., Jia M., Zhou S., Zhao Y., Peng W., Xing W. Asymmetric poly (vinyl alcohol)/Schiff base network framework hybrid pervaporation membranes for ethanol dehydration // European Polymer J. 2022. Vol. 162. Article number 110924. 11 p. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2021.110924
  9. Sapalidis A. A. Porous polyvinyl alcohol membranes: Preparation methods and applications // Symmetry. 2020. Vol. 12. Article number 960. 22 p. https://doi.org/10.3390/sym12060960
  10. Lifson S., Gavish B., Reich S. Flicker noise of ion-selective membranes and turbulent convection in the depleted layer // Biophys. Struct. Mechanism. 1978. Vol. 4, iss. 1. P. 53–65. https://doi.org/10.1007/BF00538840
  11. Wnek G. E., Costa A. C. S., Kozawa S. K. Bio-mimicking, electrical excitability phenomena associated with synthetic macromolecular systems: A brief review with connections to the cytoskeleton and membraneless organelles // Frontiers in Molecular Neuroscience. 2022. Vol. 15. Article number 830892. 8 p. https://doi.org/10.3389/fnmol.2022.830892
  12. Wright W. M. D., Hutchins D. A., Schindel D. W. Ultrasonic evaluation of polymers and composites using air-coupled capacitance transducers // Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. 1995. Vol. 14. P. 1399–1406. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-1987-4_179
  13. Прохоров И. Ю. Протонные мембраны и суперкислоты // Физика и техника высоких давлений. 2019. Т. 29, № 2. С. 98–109.
  14. Прохоров И. Ю. Механизмы протонной проводимости в высокоизбирательных мембранах с гранулированным донором // Электрохимическая энергетика. 2017. Т. 17, № 3. С. 159–169. https://www.doi.org/10.18500/1608-4039-2017-17-3-159-169
  15. Liu Y., Lu C., Twigg S., Lin J.-H., Hatipoglu G., Liu S., Winograd N., Zhang Q. M. Ion distribution in ionic electroactive polymer actuators // Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2011 / eds. Yoseph Bar-Cohen, Federico Carpi. Proc. of SPIE. 2011. Vol. 7976. Article number 79762O. 8 p. https://doi.org/10.1117/12.880528
  16. Cayre O. J., Chang S. T., Velev O. D. Polyelectrolyte diode: Nonlinear current response of a junction between aqueous ionic gels // J. Am. Chem. Soc. 2007. Vol. 129, iss. 35. P. 10801–10806. https://doi.org/10.1021/ja072449z
  17. Vyas R. N., Wang B. Electrochemical analysis of conducting polymer thin films // Int. J. Mol. Sci. 2010. Vol. 11, iss. 4. P. 1956–1972. https://doi.org/10.3390/ijms11041956
  18. Bell C. G., Anastassiou C. A., O’Hare D., Parker K. H., Siggers J. H. Theory of large-amplitude sinusoidal voltammetry for reversible redox reactions // Electrochimica Acta. 2011. Vol. 56, iss. 24. P. 8492– 8508. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.07.050
  19. Hodgkin A. L., Huxley A.F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve // J. Physiol. 1952. Vol. 117, iss. 4. P. 500–544. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1952.sp004764
  20. Zhu L. Q., Wan C. J., Guo L. Q., Shi Y., Wan Q. Artificial synapse network on inorganic proton conductor for neuromorphic systems // Nature Communications. 2014. Vol. 5. Article number 3158. 7 p. https://doi.org/10.1038/ncomms4158
  21. Иванченко М. В. Генерация берстов в ансамблях спайковых нейронов с нелокальными связями // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2007. Т. 15, № 3. С. 3–14. https://doi.org/10.18500/0869-6632-2007-15-3-3-14
  22. Ghosh S. K., Sinha T. K., Mahanty B., Jana S., Mandal D. Porous polymer composite membrane based nanogenerator: A realization of selfpowered wireless green energy source for smart electronics applications // J. Appl. Phys. 2016. Vol. 120, iss. 17. Article number 174501. 12 p. https://doi.org/10.1063/1.4966652
  23. Neumcke B. 1/f noise in membranes // Biophys. Struct. Mechanism. 1978. Vol. 4, iss. 3. P. 179–199. https://doi.org/10.1007/bf02426084
  24. Мацаев А.С. Фликкер-шум. Особенности, разнообразие и управление // Журнал радиоэлектроники [Электронный журнал]. 2020. № 10. 17 с. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.10.7
  25. Кононенко Н. А., Долгополов С. В., Березина Н. П., Лоза Н. В., Лакеев С. Г. Асимметрия вольтамперной характеристики перфторированных мембран МФ-4СК, поверхностно модифицированных полианилином // Электрохимия. 2012. Т. 48, № 8. С. 940–944.
  26. Кравец Л. И., Дмитриев С. Н., Алтынов В. А., Сатулу В., Миту Б., Динеску Г. Получение двухслойных композитных наномембран с асимметрией проводимости // Электрохимия. 2011. Т. 47, № 4. С. 499–510.
  27. Прохоров И. Ю. Дифференциальная электрохимическая импедансная спектроскопия полимерных протонных электролитов // Электрохимическая энергетика. 2021. Т. 21, № 1. С. 21–31. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2021-21-1-21-31
  28. Anousheh N., Solis F. J., Jadhao V. Ionic structure and decay length in highly concentrated confined electrolytes // AIP Advances. 2020. Vol. 10, iss. 10. Article number 125312. 16 p. https://doi.org/10.1063/5.0028003
  29. Electrolyte Solutions / ed. by R. A. Robinson and R. H. Stokes. 2nd ed. London : Butterworths Scientific Publications, 1959. 646 p.
  30. Sheng F., Afsar N. U., Zhu Y., Ge L., Xu T. PVA-based mixed matrix membranes comprising ZSM-5 for cations separation // Membranes. 2020. Vol. 10, iss. 6. Article number 114. 15 p. https://doi.org/10.3390/membranes10060114
  31. Sudre G., Hourdet D., Cousin F., Creton C., Tran Y. Structure of surfaces and interfaces of poly(N,N-dimethylacrylamide) hydrogels // Langmuir. 2012. Vol. 28, iss. 33. P. 12282–12287. https://doi.org/10.1021/la301417x

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».