Development of sulfonated poly (ether ether ketone) (SPEEK) hybrid proton exchange membranes incorporated with MXene/metal oxide composites for hydrogen production from water

การผลิตแก๊สไฮโดรเจนผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำโดยใช้เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตรอน (PEM) เป็นการผลิตพลังงานสะอาดและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมซึ่งเป็นการคิดค้นทางแก้ปัญหาด้านวิกฤติพลังงานและมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม แก๊สไฮโดรเจนสามารถผลิตได้จากน้ำผ่านปฏิกิริยารีดอกซ์เมื่อมีการให้พลังงานจากแสงยูวีหรือกระแสไฟฟ้าเพื่อให้ให้โมเลกุลของน้ำแตกออกเป็นแก๊สออกซิเจนและแก๊สไฮโดรเจน ในกระบวนการนี้เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตรอนเป็นปัจจัยสำคัญในการถ่ายโอนโปรตรอนจากขั้วแอโนดไปยังขั้วแคโทดและยังทำหน้าที่เป็นแผ่นกั้นระหว่างภาชนะที่มีแก๊สเกิดขึ้นจากกระบวนเพื่อไม่ให้ผสมกัน ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นการพัฒนาไฮบริดคอมพอสิต PEM สำหรับการแยกน้ำซึ่งแบ่งออกเป็นสามส่วนดังนี้งานวิจัยส่วนแรกได้เตรียมไฮบริดคอมพอสิตเมมเบรนจาก MXene โพแทสเซียมไททาเนตเส้นใยขนาดนาโนและซัลโฟเนตเตทพอลิ(อีเธอร์ อีเธอร์ คีโตน)ที่ผ่านการเชื่อมขวาง (MKT-NW/C-SPEEK) สำหรับการแยกน้ำโดยผ่านปฏิกิริยาเร่งด้วยแสง โดยมีการเติมอัตราส่วนของ MK T-NW ที่แตกต่างกันใน C-SPEEK เพื่อหาสภาวะที่เหมาะสม ค่าการนำโปรตรอนเมื่อเติม MKT-NW ร้อยละ 12 โดยน้ำหนักมีค่าเท่ากับ 0.0097 Scm-1 ซึ่งสูงกว่าการใช้ C-SPEEK (0.0034 Scm-1) ประมาณสามเท่า และมีค่า IEC เท่ากับ 1.88 meqg-1 เมื่อนำเมมเบรนที่เตรียมได้ไปผ่านการฉายแสงยูวีพบว่าเมมเบรนสามารถผลิตแก๊สไฮโดรเจนได้ 0.185 µmol ในระยะเวลา 5 ชั่วโมง นอกจากนี้เมื่อนำเมมเบรนดังกล่าวมาใช้กับระบบการแยกน้ำด้วยเคมีไฟฟ้าจะสามารถผลิตแก๊สไฮโดรเจนได้ 0.081 µmol ในระยะเวลา 1 ชั่วโมงงานวิจัยส่วนที่สองศึกษาเกี่ยวกับการพัฒนาคอมพอสิตเมมเบรนของ MXene-Cu2O/SPEEK การเติมคอมพอสิตร้อยละ 4 โดยน้ำหนักให้ค่าการนำโปรตรอนสูงที่สุดเท่ากับ 0.0105 Scm-1 การบวมน้ำร้อยละ 35.7 และค่า IEC เท่ากับ 1.66 meqg-1 เนื่องจากการปฏิสัมพันธ์ทางอิเล็กทรอนิกส์และการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของคอมพอสิต MXene-Cu2O ซึ่งมีส่วนช่วยในการพัฒนาสมบัติเสถียรภาพต่อปฏิกิริยาออกซิเดชัน ความแข็งแรงเชิงพลวัติและเสถียรภาพทางความร้อนซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญต่อการใช้งานในระยะยาว นอกจากนี้ค่าอัตราการซึมผ่านออกซิเจน (OTR) ของเมมเบรน MXene-Cu2O/SPEEK ที่การเติมคอมพอสิตร้อยละ 4 โดยน้ำหนักมีค่าเท่ากับ33.7 cc m-2 day-1 ซึ่งมีค่าใกล้เคียงกับเมมเบรน Nafion212 (29 cc m-2 day-1) ที่ใช้อยู่ทั่วไป เมื่อนำเมมเบรนดังกล่าวมาใช้สำหรับการแยกน้ำด้วยเคมีไฟฟ้าพบว่าสามารถผลิตแก๊สไฮโดรเจนได้ 0.0.083 µmol ในระยะเวลา 1 ชั่วโมงและมีประสิทธิภาพของฟาราเดย์ร้อยละ 95.2งานวิจัยส่วนที่สามเป็นการเตรียมคอมพอสิตเมมเบรน MXene-SSiO2/SPEEKที่มีค่าการนำโปรตรอน 0.0122 Scm-1 ค่าการบวมน้ำร้อยละ 65.4 และค่า IEC เท่ากับ 1.84 meqg-1 ซึ่งการเติม MXene-SSiO2 ร้อยละ 10 โดยน้ำหนักจะเพิ่มความแข็งแรงเชิงพลวัติ (2379.23 MPa) และมีค่าเสถียรภาพต่อปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ดีซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญของ PEM นอกจากนั้นเมื่อนำเมมเบรนดังกล่าวมาใช้เป็นแผนกั้นในระบบการแยกน้ำด้วยเคมีไฟฟ้าในภาชนะทรง H-Cell ยังสามารถผลิตแก๊สไฮโดรเจนได้ 0.0.086 µmol ในระยะเวลา 1 ชั่วโมงดังนั้นงานวิจัยนี้ได้ประสบความสำเร็จในการเตรียมไฮบริดคอมพอสิตเมมเบรนทั้งสามชนิด คือ คอมพอสิตเมมเบรน MKT-NW/C-SPEEK คอมพอสิตเมมเบรน MXene-Cu2O/SPEEK และ คอมพอสิตเมมเบรน MXene-SSiO2/SPEEK โดยพบว่าไฮบริดคอมพอสิตเมมเบรนของ MKT-NW/C-SPEEK สามารถการแยกน้ำได้โดยผ่านปฏิกิริยาเร่งด้วยแสง ในขณะที่ไฮบริดคอมพอสิตเมมเบรนของ MXene-Cu2O/SPEEK มีเสถียรภาพที่ดีและสามารถผลิตแก๊สไฮโดรเจนได้ 0.080 µmol เป็นระยะเวลา 8 ชั่วโมงซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเติมคอมพอสิตช่วยพัฒนาประสิทธิภาพของเมมเบรนเมื่อมีการใช้งานในระยะเวลานาน นอกจากนี้ไฮบริดคอมพอสิตเมมเบรนของ MXene-SSiO2/SPEEK มีค่าการนำโปรตรอนที่โดดเด่น 0.0122 Scm-1 ซึ่งสูงกว่าไฮบริดคอมพอสิตเมมเบรนของ MKT-NW/C-SPEEK (0.0097 Scm-1) และ MXene-Cu2O/SPEEK (0.0105 Scm-1) โดยสรุปไฮบริดคอมพอสิตเมมเบรนที่เตรียมมาทั้งสามชนิดมีค่าการนำโปรตรอนที่สูงกว่า Nafion 212 (0.0093 Scm-1) ที่ใช้อยู่ทั่วไป ซึ่งนับว่าเป็นการเมมเบรนทางเลือกเพิ่มเติมนอกเหนือจากการใช้เมมเบรนที่ผลิตจากพอลิเตตะฟลูออโรเอธิลีน (PTFE)