Nanostructured Aromatic Polymer Electrolytes for PEMFC : Structure-morphology-property interplay

Les ionomères aromatiques sont considérés comme une alternative prometteuse à Nafion pour les PEMFCs en raison de leur bonne stabilité à l'oxydation, d'excellentes propriétés thermomécaniques et de faibles coûts, etc. La plupart des ionomères aromatiques sulfonés rapportés au cours des dernières décennies présentent cependant des performances inférieures à celles de Nafion. Avec une capacité d'échange ionique (CEI) similaire, d'une part, les ionomères aromatiques sont beaucoup moins conducteurs que Nafion, notamment à faible humidité relative. Les ionomères aromatiques ayant une CEI suffisante pour donner une conductivité équivalente à celle de Nafion, d'autre part, présentent un comportement excessivement gonflant dans l'eau. Les inconvénients des ionomères aromatiques sulfonés proviennent de (i) la répartition aléatoire de groupes acides sur un squelette de polymère rigide conduisant à une séparation hydrophile-hydrophobe faible, (ii) la proximité de fractions conductrices de protons à la chaîne principale de polymère conduisant à une nanostructure basse de composés ioniques, et (iii) la faible acidité de l'acide arylsulfonique. Dans le but de surmonter ces inconvénients, mon travail de doctorat se concentre sur le développement de nouveaux ionomères aromatiques avec une morphologie et des propriétés améliorées grâce à la conception de l'architecture moléculaire, en combinaison avec une condition optimisée de traitement de la membrane. A base de cet objectif, deux séries d'ionomères aromatiques à base de copoly (arylène éther sulfone) partiellement fluoré portant des chaînes latérales pendantes d'acide perfluorosulfonique (séries InX/Y) ou perfluorosulfonimide (SiX/Y) ont été développées et caractérisées. De plus, les PEM basés sur le mélange Nafion/InX/Y ont également été ciblés. Une grande attention a été portée à l'optimisation de l'état de traitement des membranes et à l'élucidation de la relation structure-morphologie-propriété des matériaux.Aromatic ionomers are considered as a promising alternative to Nafion for PEMFCs due to their good oxidative stability, excellent thermomechanical properties, and low cost, etc. Most sulfonated aromatic ionomers reported over the past decades, however, show lower performance than that of Nafion. With similar ion-exchange capacity (IEC), on one hand, aromatic ionomers are much less conductive than Nafion, notably at low relative humidity. Aromatic ionomers with sufficient IEC to give equivalent conduction to that of Nafion, on the other hand, exhibit excessively swelling behavior in water. The shortcomings of sulfonated aromatic ionomers derive from (i) the random distribution of acidic groups on rigid polymer backbone leading to poor hydrophilic-hydrophobic separation, (ii) the proximity of proton-conducting moieties to the polymer main chain resulting in low nanostructure of ionic clusters, and (iii) the low acidity of aryl sulfonic acid. With the aim of overcoming these drawbacks, my PhD work focuses on developing new aromatic ionomers with improved morphology and properties via molecular architecture design, in combination with optimized membrane processing condition. Based on this objective, two series of aromatic ionomers based on partially-fluorinated multi-block copoly(arylene ether sulfone)s bearing pendant perfluorosulfonic acid (InX/Y series) or perfluorosulfonimide (SiX/Y series) side chains have been developed and characterized. Moreover, PEMs based on Nafion/InX/Y blend have also been focused. Much attention has been paid to optimizing the membrane processing condition and elucidating the structure-morphology-property relation in these materials