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Tailoring the Proton Conductivity and Microstructure of Block Copolymers by Countercation-Selective Membrane Fabrication

Authors :
Thi Khanh Ly Nguyen
Huu-Dat Nguyen
Cristina Iojoiu
Jacques Jestin
Emilie Planes
Lionel Porcar
Sandrine Lyonnard
Matériaux Interfaces ELectrochimie (MIEL)
Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces (LEPMI)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)
Genèse et Usage d'Interfaces Durables pour l'Energie (GUIDE)
LLB - Matière molle et biophysique (MMB)
Laboratoire Léon Brillouin (LLB - UMR 12)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay
Institut Laue-Langevin (ILL)
ILL
Synthèse, Structure et Propriétés de Matériaux Fonctionnels (STEP )
SYstèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l’Energie et la Santé (SYMMES)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Département Interfaces pour l'énergie, la Santé et l'Environnement (DIESE)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
ANR-16-CE05-0016,NSPEM,Ionomères et membranes nanostructurés avec architectures controlées pour les PEMFC(2016)
Source :
Journal of Physical Chemistry C, Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2020, 124 (24), pp.13071-13081. ⟨10.1021/acs.jpcc.0c04682⟩, Journal of Physical Chemistry C, 2020, 124 (24), pp.13071-13081. ⟨10.1021/acs.jpcc.0c04682⟩
Publication Year :
2020
Publisher :
American Chemical Society (ACS), 2020.

Abstract

International audience; Here we report a simple-but-effective method to control the membrane morphology and transport properties of aromatic multi-block copolymers bearing perfluorosulfonic functions, via casting with different counter-cations. Five monovalent cations with different sizes, polarity, hydrophobicity, i.e., H + , Li + , K + , Cs + , TEA + , and one double-valence cation, i.e., Ca 2+ , were selected for manufacturing block copolymer membranes. We show that the counter-cation has a strong impact on the superstructure long-range order by acting as either block-separator, either block-compatibilizer, therefore tuning the thermodynamics of the self-assembly process. Hence, by selecting the cations, highly ordered or completely disordered phase-separated block morphologies can be created. The effect of counter-cation nature on the morphology is strongly reflected on the proton conductivity of acidified membranes. At 25 °C and 10% relative humidity, the acidified TEA +-cast membranes are 22 times less conductive than the acidified Cs +-cast ones. By combining microscopy and neutron scattering techniques, we reveal the direct correlation between enhanced functional properties and quality of membrane microstructure directed by the nature of cations with beneficial characteristics. Our findings highlight the role and importance of cation selection to tailor the functional properties of multiblock ionomers applicable as solid electrolytes for energy conversion devices.

Details

ISSN :
19327455 and 19327447
Volume :
124
Database :
OpenAIRE
Journal :
The Journal of Physical Chemistry C
Accession number :
edsair.doi.dedup.....960bca41a3bb6629e27c9b9b96fe8d5d
Full Text :
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c04682