Synthèse et étude de polybenzimidazoles sulfonés : nouvelles membranes électrolytes pour pile à combustible PEMFC
Institution:
Montpellier 2Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Polybenzimidazoles (PBI) are polymers having excellent chemical stability. Their functionalization is an attractive approach for the development of electrolyte membranes as alternatives to perfluorosulfonated polymers, in electrochemical devices operating at temperatures above 100 °C. Among the various ways of functionalization, incorporation of sulfonic groups in a PBI skeleton is a method of choice. This work is focused on the development of novel ion conducting polymers and electrolyte membranes based on sulfonated polybenzimidazoles. Two methods have been used: 1- direct sulfonation in polymer solution and 2- polymerization of sulfonated monomers. Direct sulfonation requires the polybenzimidazole to be soluble in acid medium and is greatly favoured when the PBI chain contains electro-donor links which activate electrophilic attack at the ortho positions. The activation of these different sites of sulfonation is controlled by the reaction conditions and especially by the nature of the sulfonating agent. Polycondensation of novel synthetic sulfonated precursors leads to novel polymers with high molecular weight, in which the hydrophilic and hydrophobic units are randomly organised. Both methods of preparation of sulfonated PBI have allowed ionomers with high densities of sulfonic groups to be obtained. The corresponding membranes are robust and chemically and thermally stable. The conduction properties of the order of 10-2 S. Cm-1 at 25 °C, 100 % of these sulfonated PBI membranes are sufficiently high to envisage their use as polymer fuel cell membranes
Abstract FR:
Leur fonctionnalisation représente une approche de choix pour le développement de membranes électrolytes alternatives aux polymères perfluorosulfonés de référence, dans les dispositifs électrochimiques fonctionnant à des températures supérieures à 100 °C. Parmi les diverses approches pour la fonctionnalisation, l'introduction de groupes sulfoniques dans un squelette PBI est une méthode en voie de développement. Ce travail traîte de la préparation de nouveaux polymères sulfonés et de l'élaboration de nouvelles membranes. Deux voies ont été privilégiées : 1- la sulfonation directe d'un polymère en solution et 2- la polymérisation de monomères sulfonés. La sulfonation directe nécessite un polybenzimidazole soluble en milieu acide. Elle est considérablement favorisée lorsque la chaîne contient des ponts électro-donneurs, qui orientent la substitution électrophile en ortho de ces derniers. L'activation des différents sites de sulfonation est controlée par les conditions expérimentales et en particulier par l'agent de sulfonation. La synthèse de précurseurs sulfonés originaux a conduit à de nouveaux copolymères filmogènes à haute masse moléculaire, sur lesquels les unités hydrophiles et hydrophobes s'enchaînent de façon statistique. Ces deux modes de préparation ont permis d'obtenir des ionomères avec des densités importantes de groupement sulfonique. Les membranes correspondantes sont robustes, stables chimiquement et thermiquement. Les propriétés de conduction (de l'ordre de 10-2 S. Cm-1 à 25 °C et 100 % HR) des membranes de PBI sulfonés sont suffisamment élevées pour envisager une application comme membrane de pile à combustible