Preparation and characterization of zwitterion-substituted lignin/Nafion composite membranes

Nafion公司 两性离子 部分 化学 木质素 高分子化学 质子交换膜燃料电池 热稳定性 化学稳定性 磺酸 化学工程 有机化学 分子 电化学 物理化学 工程类 生物化学 电极
作者
Jeongwon Heo,Liangliang An,Min Soo Kim,Duck Hyun Youn,Yong Sik Kim
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier]
卷期号:: 127421-127421
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2023.127421
摘要

In this study, a novel zwitterion-substituted lignin (ZL) containing amino and sulfonic acid groups was synthesized, and ZL/Nafion composite membranes were fabricated as proton exchange membranes. Kraft lignin was modified using an aminosilane and 1,3-propanesultone via a continuous grafting reaction to provide zwitterionic moieties. Chemical structural analyses confirmed the successful introduction of the zwitterion moiety into lignin. In particular, the surface charge of ZL is positive in an acidic medium and negative in a basic medium, suggesting that ZL is a zwitterionic material. ZL was incorporated into a Nafion membrane to enhance its ion exchange capacity, thermal stability, and hydrophilicity. The proton conductivity of ZL/Nafion 0.5 %, 151.0 mS/cm, was 55.3 % higher than that of unmodified ML (methanol-soluble lignin)/Nafion 0.5 % (97.2 mS/cm), indicating that the zwitterion moiety of ZL enhances the proton transport ability. In addition, oxidative stability evaluation confirmed that ZL/Nafion 2 % was chemically more durable than pure Nafion. This confirmed that using lignin as a membrane additive yielded positive results in terms of chemical durability and oxidation stability in Nafion. Therefore, ZL is expected to be utilized as a multifunctional additive and exhibits the potential for fuel cell applications.
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