KR20230090366A - 붕소-함유 다공성 막 및 그의 이용 방법 - Google Patents
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Abstract
양성자 교환 막은 다공성 구조 골격체 및 상기 다공성 구조 골격체에 결합된 붕소계 산기를 포함한다. 상기 다공성 구조 골격체는 비결정형 또는 결정형 무기 물질 및/또는 합성 또는 천연 폴리머로부터 형성될 수 있다. 상기 붕소계 산기는 붕산 유도체, 예컨대 환형 붕산 유도체, 보로스피란산, 또는 보로스피란산 유도체일 수 있다. 상기 붕소계 산기는 붕산 또는 붕산 유도체 및 폴리-히드록시 화합물의 반응 생성물일 수 있다.
Description
본 출원은 2020년 11월 5일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 63/109,943에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
양성자 교환 막(PEM)은 양성자(H+)는 수송하면서 가스, 예컨대 수소(H2) 및 산소(O2)에는 불투과성이도록 조작된 반투과성 막이다. PEM은 산성 조건 하에 수소 연료 전지 및 물 전기분해 시스템에 사용될 수 있다. PEM은 매우 산성인 작용기를 갖는 기계적 및 화학적으로 저항성인 다공성 골격체(porous framework)로 구성될 수 있다. 예를 들면, 나피온계 양성자 교환 막은 설폰산기를 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 다공성 구조 골격체를 함유한다. 쉽게 해리가능한 설폰산기는 막에서 양성자 수송제로서 기능한다.
다음의 기술은 본 발명의 측면의 기본적인 이해를 제공하기 위하여 본 명세서에 기술된 방법 및 시스템의 하나 이상의 측면의 간단한 요약을 제공한다. 상기 요약은 모든 고려되는 측면의 광범위한 개요는 아니며, 모든 측면의 핵심적이거나 결정적인 요소를 확인하거나 임의의 또는 모든 측면의 범위를 기술하기 위한 의도는 아니다. 그 유일한 목적은 아래에 제공되는 보다 상세한 기술에 대한 서막으로서 본 명세서에 기술된 방법 및 시스템의 하나 이상의 측면의 일부 개념을 단순화된 형태로 제공하기 위한 것이다.
일부 실증적 구현예에서, 양성자 교환 막은 다공성 구조 골격체 및 상기 다공성 구조 골격체에 결합된 붕소계 산기(acid group)를 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 상기 붕소계 산기는 환형 붕산(cyclic boric acid) 유도체를 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 상기 붕소계 산기는 보로스피란산(borospiranic acid)을 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 상기 붕소계 산기 카테콜(catechol) 유도체를 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 상기 다공성 구조 골격체는 상기 붕소계 산기에 의해 결합된 고체 지지체 입자를 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 상기 다공성 구조 골격체는 다공성 폴리머 네트워크를 포함하고, 상기 붕소계 산기는 상기 폴리머 네트워크의 세공 표면(pore surface)에 결합된다.
일부 실증적 구현예에서, 상기 다공성 구조 골격체는 무기 물질을 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 양성자 교환 막의 제조 방법은 붕소계 산기를 다공성 구조 골격체에 포함되는 세공 표면에 결합시키는 단계를 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 상기 결합시키는 단계는 붕산 또는 붕산 상기 세공 표면에 존재하는 히드록시기와 반응시키는 단계를 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 상기 결합시키는 단계는 폴리-히드록시 화합물을 상기 세공 표면에 결합된 붕산 유도체와 반응시키는 단계를 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 상기 방법은 나노입자를 상기 붕소계 산기에 의해 상기 세공 표면에 커플링(coupling)하는 단계를 추가로 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 막 전극 접합체는 캐소드(cathode), 애노드(anode), 및 상기 캐소드 및 애노드 사이에 위치된 양성자 교환 막을 포함하고, 상기 양성자 교환 막은 다공성 구조 골격체 및 상기 다공성 구조 골격체 내의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기를 포함한다.
일부 실증적 구현예에서, 상기 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 촉매 및 상기 촉매에 결합하기 위한 이오노머(ionomer)를 포함하고, 상기 이오노머는 붕소계 산기를 포함한다.
첨부된 도면은 다양한 구현예를 실증하며, 본 명세서의 일부이다. 실증된 구현예는 단지 예일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것은 아니다. 도면 전반에 걸쳐서, 동일하거나 유사한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 지정한다.
도 1은 다공성 구조 골격체 및 상기 다공성 구조 골격체의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기를 포함하는 실증적 양성자 교환 막을 보여준다.
도 2a는 도 1의 PEM 내의 다공성 구조 골격체 및 붕소계 산기의 실증적 형상을 보여준다.
도 2b는 도 1의 PEM 내의 다공성 구조 골격체 및 붕소계 산기의 다른 실증적 형상을 보여준다.
도 3a는 환형 붕산 유도체를 합성하기 위한 실증적 반응식(reaction scheme)을 보여준다.
도 3b는 보로스피란산을 합성하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 4a는 고체 지지체-결합 단일-고리(single-ring) 환형 붕산 유도체를 합성하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 4b는 펜던트 모이어티(pendant moiety)를 갖는 고체 지지체-결합 보로스피란산을 합성하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 5a는 카테콜 유도체를 통합하는 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체를 합성하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 5b는 카테콜 유도체 및 펜던트 모이어티를 통합하는 고체 지지체-결합 보로스피란산을 합성하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 6은 붕소계 산기를 함유하는 가교-결합(cross-linked) 코폴리머를 합성하기 위한 실증적 반응식(600)을 보여준다.
도 7은 다공성 구조 골격체의 세공 표면을 붕산 유도체로 기능화하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 8a는 다공성 구조 골격체의 세공 표면을 붕산 유도체로 기능화하기 위한 다른 실증적 반응식을 보여준다.
도 8b는 다공성 구조 골격체의 세공 표면을 붕산 유도체(보로스피란산)로 기능화하기 위한 다른 실증적 반응식을 보여준다.
도 9a는 입자(예컨대, 나노입자)를 붕산 유도체(예컨대, 보로스피란산)를 통해 다공성 구조 골격체의 세공 표면에 커플링하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 9b는 붕산 유도체를 이용하여 폴리머 구조 내의 다수의 시트(sheet)를 포함하는 다수의 입자를 가교-결합시키기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 10은 붕소-함유 다공성 막을 통합하는 실증적 양성자 교환 막 물 전기분해 시스템을 보여준다.
도 11은 붕소-함유 다공성 막을 통합하는 실증적 양성자 교환 막 연료 전지를 보여준다.
도 1은 다공성 구조 골격체 및 상기 다공성 구조 골격체의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기를 포함하는 실증적 양성자 교환 막을 보여준다.
도 2a는 도 1의 PEM 내의 다공성 구조 골격체 및 붕소계 산기의 실증적 형상을 보여준다.
도 2b는 도 1의 PEM 내의 다공성 구조 골격체 및 붕소계 산기의 다른 실증적 형상을 보여준다.
도 3a는 환형 붕산 유도체를 합성하기 위한 실증적 반응식(reaction scheme)을 보여준다.
도 3b는 보로스피란산을 합성하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 4a는 고체 지지체-결합 단일-고리(single-ring) 환형 붕산 유도체를 합성하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 4b는 펜던트 모이어티(pendant moiety)를 갖는 고체 지지체-결합 보로스피란산을 합성하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 5a는 카테콜 유도체를 통합하는 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체를 합성하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 5b는 카테콜 유도체 및 펜던트 모이어티를 통합하는 고체 지지체-결합 보로스피란산을 합성하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 6은 붕소계 산기를 함유하는 가교-결합(cross-linked) 코폴리머를 합성하기 위한 실증적 반응식(600)을 보여준다.
도 7은 다공성 구조 골격체의 세공 표면을 붕산 유도체로 기능화하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 8a는 다공성 구조 골격체의 세공 표면을 붕산 유도체로 기능화하기 위한 다른 실증적 반응식을 보여준다.
도 8b는 다공성 구조 골격체의 세공 표면을 붕산 유도체(보로스피란산)로 기능화하기 위한 다른 실증적 반응식을 보여준다.
도 9a는 입자(예컨대, 나노입자)를 붕산 유도체(예컨대, 보로스피란산)를 통해 다공성 구조 골격체의 세공 표면에 커플링하기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 9b는 붕산 유도체를 이용하여 폴리머 구조 내의 다수의 시트(sheet)를 포함하는 다수의 입자를 가교-결합시키기 위한 실증적 반응식을 보여준다.
도 10은 붕소-함유 다공성 막을 통합하는 실증적 양성자 교환 막 물 전기분해 시스템을 보여준다.
도 11은 붕소-함유 다공성 막을 통합하는 실증적 양성자 교환 막 연료 전지를 보여준다.
붕소-함유 다공성 막, 및 붕소-함유 다공성 막의 제조 및 이용 방법이 본 명세서에 기술된다. 일부 예에서, 붕소-함유 다공성 막은 다공성 구조 골격체 및 상기 다공성 구조 골격체에 공유결합된 붕소계 산기를 포함한다. 상기 다공성 구조 골격체는 비결정형 또는 결정형 무기 물질 및/또는 합성 또는 천연 폴리머로부터 형성될 수 있다. 상기 붕소계 산기는 붕산 유도체, 예컨대 환형 붕산 유도체, 보로스피란산, 또는 보로스피란산 유도체일 수 있다. 일부 예에서, 상기 붕소계 산기는 붕산 또는 붕산 유도체 및 폴리-히드록시 화합물의 반응 생성물이다.
본 명세서에 기술된 붕소-함유 다공성 막은 산성 조건 하에 작동하는 물 전기분해 및/또는 연료 전지 적용분야를 위한 PEM으로 사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 붕소-함유 PEM에서, 양이온(예컨대, 양성자) 교환은 4가의 음전하를 갖는 붕소 원자에 이온적으로 결합된 양성자에 의해 제공된다. 산소-붕소 결합의 존재는 다공성 구조 골격체의 친수성도(hydrophilicity)를 증가시키고, 음전하를 갖는 붕소 원자를 안정화시킨다. 본 명세서에 기술된 붕소-함유 PEM은 또한 큰 pH 농도구배(gradient) 하에서의 높은 기계적 강도, 높은 양성자 전도도, 낮은 전자 전도도, 화학적 안정성, 내구성, 및 낮은 생산 비용을 갖는다. 상기 붕소-함유 다공성 막은 자연에 풍부하고 저가인 붕산 및 그 전구체(예컨대, 보락스(borax))로부터 생성될 수 있다. 일부 예에서, 본 명세서에 기술된 붕소-함유 다공성 막은 또한 독성 물질을 통합하지 않는다.
본 명세서에 기술된 붕소-함유 다공성 막은 또한 병원체, 예컨대 박테리아, 바이러스, 및 진균 포자(fungal spore)를 여과 및/또는 중화시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 붕소-함유 다공성 막은 폐쇄된 공간(예컨대, 가정, 사무실, 병원, 공장, 차량, 비행기, 등)을 위한 안면 마스크, 수술용 마스크, 공기 필터, 및 공기 정화 시스템에 시행될 수 있다.
본 명세서에 기술된 장치, 조성물, 및 방법은 상기 언급된 하나 이상의 혜택 및/또는 본 명세서로부터 자명하게 되는 다양한 부가적 및/또는 대안적 혜택을 제공할 수 있다. 이제 다양한 구현예가 도면을 참조하여 보다 상세히 기술될 것이다. 다양한 변형이 본 개시의 범위 내에서 행해질 수 있기 때문에, 다음의 구현예는 단지 실증적인 것일 뿐, 제한하는 것은 아님이 이해될 것이다.
도 1은 실증적 양성자 교환 막(100)(PEM(100))을 보여준다. PEM(100)은 다공성 구조 골격체(102) 및 다공성 구조 골격체(102)의 전반에 걸쳐 분포하고 다공성 구조 골격체(102)의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기(104)를 포함한다.
다공성 구조 골격체(102)는 무기 물질 및/또는 유기 물질을 포함하는 임의의 적합한 물질 또는 물질의 조합으로부터 형성될 수 있다. 적합한 무기 물질은 비결정형 무기 물질(예컨대, 유리, 용융 실리카, 또는 세라믹) 및/또는 결정형 무기 물질(예컨대, 석영, 단결정 규소, 또는 알루미나)을 포함할 수 있다. 적합한 유기 물질은, 예를 들면, 합성 및/또는 천연 폴리머(예컨대, 셀룰로오스)를 포함할 수 있다.
PEM(100)은 수 미크론 내지 수 백 미크론 범위의 두께(d)를 가질 수 있다. 본 명세서에 기술된 형상을 가짐으로써, PEM(100)은 최대 30 대기의 압력차(pressure differential) 및 막에 걸친 산성 pH 농도구배를 견딜 수 있다. PEM(100)은 또한 화살표(106)에 의해 표시되는 PEM(100)을 통해 전도될 수 있는 물 및 양성자에 투과성일 수 있지만, PEM(100)은 일반적으로 수소 및 산소를 포함하는 가스에 불투과성이다.
붕소계 산기(104)는 도 2a 및 도 2b에 나타낸 것과 같이 적어도 2가지 상이한 형상으로 PEM(100) 내의 세공 표면에 결합될 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 PEM(100) 내의 다공성 구조 골격체(102) 및 붕소계 산기(104)의 실증적 형상을 보여준다. 도 2a 및 도 2b는 각각 PEM(100)의 일부만을 보여주고, PEM(100) 전반에 걸친 대표적인 특징임이 인식될 것이다.
도 2a에 나타낸 제1 실증적 형상(200A)에서, 세공(204)에 인접한 세공 표면(202)은 붕소계 산기(104)로 기능화되어서, 붕소계 산기(104)가 세공 표면(202)에 결합된다. 도 2a는 세공 표면(202)에 결합된 1개의 붕소계 산기(104)만 보여주고 있지만, 다공성 구조 골격체(102)는 세공 표면(202)에 결합된 붕소계 산기(104)를 임의의 수 및 농도로 가질 수 있다.
도 2b에 나타낸 제2 실증적 형상(200B)에서, 다공성 구조 골격체(102)는 붕소계 산기(104)에 의해 함께 결합된 고체 지지체 입자(206)(예컨대, 고체 지지체 입자(206-1 내지 206-4))를 포함한다. 상기 결합된 고체 지지체 입자(206)는 고체 지지체 입자(206) 사이의 공간에 세공(208)을 형성한다. 붕소계 산기(104)는 세공 표면(210)(예컨대, 고체 지지체 입자(206-1 내지 206-4)의 세공 표면(210-1 내지 210-4))에 결합된다. 도 2b는 4개의 고체 지지체 입자(206)가 붕소계 산기(104)에 의해 결합됨을 보여주고 있지만, 임의의 다른 수의 고체 지지체 입자(206)가 붕소계 산기(104)에 의해 결합될 수 있다. 부가적으로, 각각의 고체 지지체 입자(206)는 하나 이상의 부가적인 붕소계 산기에 의해 하나 이상의 부가적인 고체 지지체 입자에 결합되어서, 다공성 구조 골격체(102) 내의 세공 표면(210)에 결합된 붕소계 산기(104)를 갖는 다공성 구조 골격체(102)를 생성할 수 있다.
고체 지지체 입자(206)는 임의의 적합한 물질, 예컨대 다공성 구조 골격체(102)에 대해 상기 기술된 임의의 물질, 예컨대 무기 분자(예컨대, 용융 실리카 입자, 세라믹 입자, 등) 또는 유기 분자(예컨대, 폴리머)로부터 형성될 수 있다. 고체 지지체 입자(206)는 수 십 나노미터(nm) 내지 100 미크론의 범위인 임의의 적합한 모양 및 크기를 가질 수 있다. PEM(100)의 공극률(porosity)은 고체 지지체 입자(206)의 크기에 의해 제어 및 정의될 수 있다. 고체 지지체 입자(206)는 또한 높은 pH 농도구배를 갖는 환경에서의 그 기계적 강도, 그 내구성, 및/또는 물에 대한 그 친화도에 대해 선택될 수 있다(예컨대, 입자는 PEM(100)에 대해 원하는 물-친화도 균형에 따라 친수성 또는 소수성으로 선택될 수 있다).
일부 예에서, 붕소계 산기(104)는 붕산 유도체(예컨대, 붕산으로부터 유래되는 화합물 또는 기)를 포함한다. 붕산은 식 (I)에 의해 제공되는 다음 구조의 분자식 B(OH)3을 갖는다:
붕산 유도체는 붕산의 1개, 2개, 또는 3개의 모든 히드록시기(OH)가 하나 이상의 다른 화합물과 반응 및 조합된 임의의 화합물 또는 기일 수 있다. 실증적 붕산 유도체는 아래에 보다 상세히 기술될 것이다.
붕산 유도체는 임의의 적합한 방식으로 형성될 수 있다. 일부 예에서, 붕산 유도체는 붕산 또는 다른 붕산 유도체와 하나 이상의 다른 화합물의 1개 또는 2개의 히드록시기의 반응에 의해 형성된다. 예를 들면, 붕산 또는 붕산 유도체는 적어도 2개의 cis-비시날(vicinal) 히드록시기를 갖는 폴리-히드록시 화합물과 반응할 수 있다. 상기 붕산 유도체는 환형 붕산 유도체, 보로스피란산, 보로스피란산 유도체, 및 본 명세서에 기술된 임의의 다른 붕산 유도체를 비제한적으로 포함하는 임의의 적합한 붕산 유도체를 포함할 수 있다. 상기 폴리-히드록시 화합물은 임의의 적합한 폴리-히드록시 화합물, 예컨대 폴리올, 당, 당 알코올(예컨대, 글리세롤, 만니톨, 또는 소르비톨), 카테콜, 또는 전술한 것들의 임의의 유도체일 수 있다. 일부 예에서, 상기 폴리-히드록시 화합물은 다음의 식 (IIa) 또는 (IIb)에 의해 나타내는 구조를 갖는다:
상기에서, W, X, Y, 및 Z는 펜던트 모이어티이고, 각각 독립적으로 수소(H), 히드록시기(OH), 플루오로기(F), 클로로기(Cl), 디알킬아미노기(NR2), 시아노기(CN), 카르복시산(COOH), 카르복시 아미드(carboxylic amide), 카르복시 에스테르(carboxylic ester), 알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 일부 예에서, W, X, Y, 및 Z 중 임의의 하나 이상의 기는 선택적으로 하나 이상의 치환기, 예컨대 산소(O), 히드록시기(OH), 플루오로기(F), 클로로기(Cl), 디알킬아미노기(NR2), 시아노기(CN), 카르복시산(COOH), 카르복시 아미드, 카르복시 에스테르, 알킬기, 알콕시기, 및 아릴기를 포함할 수 있는 C1 내지 C30 알킬 사슬을 나타낼 수 있다.
붕산 또는 붕산 유도체와 폴리-히드록시 화합물의 반응에 의해 붕산 유도체를 제조하기 위한 실증적 반응식은 이제 도 3a 및 도 3b를 참조하여 나타내고 기술될 것이다. 다음의 반응식은 단지 실증적인 것일 뿐, 제한하는 것은 아님이 인식될 것이다.
도 3a는 환형 붕산 유도체를 합성하기 위한 실증적 반응식(300A)을 보여준다. 나타낸 바와 같이, 붕산(302)은 글리세롤(304)과 조합되어 환형 붕산 유도체(306)를 생성한다. 글리세롤(304)은 식 (IIa)에 의해 나타내며, 여기서 X, Y, 및 Z는 각각 수소(H)이고, W는 히드록시메틸기(CH2OH)이다. 도 3a는 붕산이 글리세롤(304)과 반응함을 보여주지만, 붕산(302)은 임의의 다른 적합한 당(예컨대, 포도당, 과당, 등), 당 알코올(예컨대, 만니톨, 소르비톨, 등) 또는 폴리-히드록시 화합물과 반응할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 붕산 유도체가 붕산(302) 대신에 사용될 수 있다.
도 3b는 또한 붕산 유도체인 보로스피란산을 합성하기 위한 실증적 반응식(300B)을 보여준다. 나타낸 바와 같이, 도 3a에 나타낸 반응식(300A)에 의해 생성된 환형 붕산 유도체(306)는 다른 글리세롤 분자(304)와 조합되어 보로스피란산(308)을 생성한다. 붕산(302)은 약산이지만, 이것은 폴리-히드록시 화합물, 예컨대 당 알코올(예컨대, 글리세롤(304))의 존재시에 매우 산성인 보로스피란산(308)을 형성한다. 도 3b는 환형 붕산 유도체(306)가 글리세롤(304)과 반응함을 보여주지만, 환형 붕산 유도체(306)는 임의의 다른 적합한 당, 당 알코올(예컨대, 만니톨, 소르비톨, 등) 또는 폴리-히드록시 화합물과 반응할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 환형 붕산 유도체(306)는 임의의 다른 적합한 환형 붕산 유도체로 교체될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 실증된 반응식(300A 및 300B)은 세공 표면(202)에 결합된 붕소계 산기(104)를 생성하기 위해(도 2a 참조), 및/또는 세공 표면(210)에 결합된 붕소계 산기(104)를 생성하기 위해(도 2b 참조) 사용될 수 있다. 일부 예에서, 고체 지지체 물질의 표면(예컨대, 세공 표면(202) 또는 입자 표면(210))은 붕산 유도체 또는 폴리-히드록시 화합물로 기능화될 수 있다. 다공성 구조 골격체(102)의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기(104)를 형성하기 위한 실증적 반응식이 이제 도 4a 내지 도 9b를 참조하여 나타내고 기술될 것이다. 이들 반응식은 단지 실증적인 것일 뿐, 제한하는 것은 아님이 인식될 것이다.
도 4a는 고체 지지체-결합 단일-고리 환형 붕산 유도체를 합성하기 위한 실증적 반응식(400A)을 보여준다. 나타낸 바와 같이, 고체 지지체(402)는 cis-비시날 디히드록시기를 갖는 cis-1,2-디히드록시기(404)로 기능화된다. 고체 지지체(402)는 본 명세서에 기술된 다공성 구조 골격체(102)를 위한 임의의 무기 또는 유기 고체 지지체 물질(예컨대, 유리, 세라믹, 합성 폴리머, 천연 폴리머)로부터 형성될 수 있으며, 높은 pH 농도구배를 갖는 환경에서의 그 기계적 강도, 그 내구성, 및/또는 물에 대한 그 친화도에 대해 선택될 수 있다(예컨대, 이것은 PEM(100)에 대해 원하는 물-친화도 균형에 따라 친수성 또는 소수성으로 선택될 수 있다). 고체 지지체(402)는 도 2b를 참조하여 기술된 고체 지지체 입자(206)와 유사한 입자일 수 있다. 대안적으로, 고체 지지체(402)는 도 2a를 참조하여 기술된 다공성 구조 골격체(102)의 일부일 수 있다.
도 4a에 나타낸 것과 같이, cis-1,2-디히드록시기(404)는 식 (IIa)에 의해 나타내는 구조를 가지며, 고체 지지체(402)에 결합된 펜던트 모이어티(Y') 및 링커(linker) 사슬(406)(식 (IIa)에서 펜던트기 W 또는 X에 의해 나타냄)을 포함한다. 링커 사슬(406)은 C1 내지 C30 알킬 사슬이고, 선택적으로 링커 사슬(406) 내의 각각의 원자에 대해 동일하거나 상이할 수 있는 하나 이상의 펜던트 모이어티(X')를 갖는다. X' 및 Y'는 각각 독립적으로 수소(H), 히드록시기(OH), 플루오로기(F), 클로로기(Cl), 디알킬아미노기(NR2), 시아노기(CN), 카르복시산(COOH), 카르복시 아미드, 카르복시 에스테르, 알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
cis-1,2-디히드록시기(404)는 붕산(408)과 반응하여 고체 지지체(402)에 결합된 단일-고리 환형 붕산 유도체(410)를 생성한다. 상기 형상을 가짐으로써, 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(410)는 PEM(100)에서 다공성 구조 골격체(102)의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기(104)를 시행할 수 있다. 대안적으로, 이제 도 4b를 참조하여 기술되는 것과 같이, 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(410)는 폴리-히드록시 화합물과 추가로 반응하여 다른 붕산 유도체(예컨대, 보로스피란산)를 생성할 수 있다.
도 4b는 펜던트 모이어티를 갖는 고체 지지체-결합 보로스피란산을 합성하기 위한 실증적 반응식(400B)을 보여준다. 나타낸 바와 같이, (도 4a에 나타낸 반응식(400A)에 의해 생성된) 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(410)는 펜던트 모이어티(A', B', C', 및 D')를 갖는 폴리-히드록시 화합물(412)과 조합된다. 폴리-히드록시 화합물(412)은 식 (IIa)에 의해 나타내는 구조를 갖는다. 따라서, 펜던트 모이어티(A', B', C', 및 D')는 식 (IIa)를 참조하여 상기에 기술된 펜던트 모이어티(W, X, Y, 및 Z)에 대응할 수 있다.
고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(410) 및 폴리-히드록시 화합물(412)은 반응하여 펜던트 모이어티(A', B', C', 및 D')를 갖는 고체 지지체-결합 보로스피란산(414)을 생성한다. 상기 형상을 가짐으로써, 고체 지지체-결합 보로스피란산(414)은 PEM(100)에서 다공성 구조 골격체(102)의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기(104)를 시행할 수 있다. 상기 고체 지지체-결합 보로스피란산(414)은 A', B', C', D', X' 및 Y' 치환의 전자적 본성에 따라 강한 양성자 교환 특성을 보일 수 있다.
고체 지지체(402)가 폴리머 네트워크를 포함하는 예에서, 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(410) 및 고체 지지체-결합 보로스피란산(414)은 또한, 붕산 및 보로스피란산의 제어된 로딩과 함께, 도 10 및 도 11을 참조하여 아래에 기술되는 것과 같이, 각각 막 전극 접합체 내의 촉매 층에서 촉매 결합을 위한 이오노머를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
도 5a는 카테콜 유도체를 통합하는 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체를 합성하기 위한 실증적 반응식(500A)을 보여준다. 반응식(500A)은, 반응식(500A)에서 폴리-히드록시 화합물이 카테콜 유도체를 포함하는 것을 제외하고는, 반응식(400A)과 유사하다.
반응식(500A)에서, 고체 지지체(502)는 카테콜 유도체(504)로 기능화된다. 고체 지지체(502)는 고체 지지체(402)와 동일하거나 유사할 수 있다. 카테콜 유도체(504)는 식 (IIb)에 의해 나타내는 구조를 가지며, 고체 지지체(502)에 결합된 펜던트 모이어티(W", Y", 및 Z") 및 (식 (IIb)에서 펜던트기 X에 의해 나타내는) 링커 사슬(506)을 포함한다. 링커 사슬(506)은 C1 내지 C30 알킬 사슬이며, 선택적으로 링커 사슬(506)에서 각각의 원자에 대해 동일하거나 상이할 수 있는 하나 이상의 펜던트 모이어티(X")를 갖는다. 펜던트 모이어티(W", X", Y", 및 Z")는 각각 독립적으로 수소(H), 히드록시기(OH), 플루오로기(F), 클로로기(Cl), 디알킬아미노기(NR2), 시아노기(CN), 카르복시산(COOH), 카르복시 아미드, 카르복시 에스테르, 알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
카테콜 유도체(504)는 붕산(508)과 반응하여 카테콜 유도체를 통합하는 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(510)를 생성한다. 고체 지지체(502)가 폴리머일 때, 카테콜 구조는 도 6을 참조하여 아래에 기술된 것과 같이 (예컨대, 카테콜-포름알데히드 수지를 형성하기 위하여) 폴리머화하는 동안에 도입될 수 있다. 대안적으로, 상기 카테콜 구조는 (예컨대, 메리필드(Merrifield) 타입 수지의 기능적 변형에 의해) 폴리머화-이후 도입될 수 있다.
상기 형상을 가짐으로써, 카테콜 유도체를 통합하는 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(510)는 PEM(100)에서 다공성 구조 골격체(102)의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기(104)를 시행할 수 있다. 대안적으로, 카테콜 유도체를 통합하는 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(510)는, 이제 도 5b를 참조하여 기술되는 것과 같이, 폴리-히드록시 화합물과 추가로 반응하여 다른 붕산 유도체(예컨대, 보로스피란산 유도체)를 생성할 수 있다.
도 5b는 카테콜 유도체 및 펜던트 모이어티를 통합하는 고체 지지체-결합 보로스피란산 유도체를 합성하기 위한 실증적 반응식(500B)을 보여준다. 반응식(500B)에서, 카테콜 유도체를 통합하는 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(510)는 펜던트 모이어티(A", B", C", 및 D")를 갖는 폴리-히드록시 화합물(512)과 조합된다. 폴리-히드록시 화합물(512)은 식 (IIa)에 의해 나타내는 구조를 갖는다. 따라서, 펜던트 모이어티(A", B", C", 및 D")는 식 (IIa)를 참조하여 상기에 기술된 펜던트 모이어티(W, X, Y, 및 Z)에 대응할 수 있다.
카테콜 유도체를 통합하는 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(510)는 폴리-히드록시 화합물(512)과 조합하여 카테콜 유도체를 통합하고 펜던트 모이어티(A", B", C", 및 D")를 포함하는 고체 지지체-결합 보로스피란산(514)을 생성한다. 상기 형상을 가짐으로써, 카테콜 유도체를 통합하고 펜던트 모이어티를 포함하는 고체 지지체-결합 보로스피란산(514)은 PEM(100)에서 다공성 구조 골격체(102)의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기(104)를 시행할 수 있다.
도 6은 붕소계 산기를 함유하는 가교-결합 코폴리머를 합성하기 위한 실증적 반응식(600)을 보여준다. 반응식(600)에서, 카테콜(602), 포름알데히드(604), 및 붕산(606)은 조합 및 폴리머화되어 카테콜-포름알데히드-붕산 가교-결합 코폴리머(608)("코폴리머(608)")를 생성한다. 코폴리머(608)는 보로스피란산기(612)에 의해 결합된 카테콜 구조(610)를 포함한다. 코폴리머(608)의 개별 폴리머는 카테콜 구조(610) 상의 가교-결합(614)에 의해 가교-결합된다. 코폴리머(608)는 또한 다른 페놀성 모노머, 예컨대 페놀, 레조르시놀, 및 트리히드록시 페놀을 함유할 수 있다.
코폴리머(608)는 PEM 및 이오노머 적용분야를 위해 적합하다. 예를 들면, 도 2b에 나타낸 PEM(100)의 형상은 (붕소계 산기(104)에 대응하는) 보로스피란산기(612)가 (고체 지지체 입자(206)에 대응하는) 카테콜 구조(610)에 결합 및 연결되어서 다공성 구조 골격체(102)를 형성하는 코폴리머(608)에 의해 시행될 수 있다. 보로스피란산기(612)의 mol% 함량은, 도 10 및 도 11을 참조하여 아래에 기술된 것과 같이, PEM(100)으로서, 또는 MEA에서 촉매 층에서의 촉매 결합을 위한 촉매를 위한 이오노머로서 최적의 기능적 성능을 위해 제어될 수 있다.
상기 언급한 것과 같이, 일부 예에서, 다공성 구조 골격체(102) 내의 세공 표면(예컨대, 세공 표면(202))은 붕소계 산기(104)로 기능화된다(도 2a 참조). 도 7 내지 도 9a는 붕소계 산기를 갖는 다공성 구조 골격체의 세공 표면을 기능화하기 위한 실증적 반응식을 보여준다. 상기 반응식은 세공 표면에 하나 이상의 히드록시기를 제공하는 고체 지지체 물질과 호환된다. 이러한 물질의 예는 실리카, 유리, 알루미나, 클레이, 합성 폴리머, 및 셀룰로오스를 비제한적으로 포함한다.
도 7은 붕소계 산기를 갖는 세공 표면을 기능화하기 위한 실증적 반응식(700)을 보여준다. 도 7에 나타낸 것과 같이, 고체 지지체(702)는 표면(704) 및 표면(704)에서의 히드록시기(706)를 포함한다. 고체 지지체(702)의 표면(704)은 다공성 구조 골격체(102)의 세공 표면(예컨대, 도 2a에 나타낸 표면(202)), 또는 고체 지지체 입자의 표면(예컨대, 도 2b에 나타낸 고체 지지체 입자(206)의 표면(210))일 수 있다. 도 7은 단지 하나의 히드록시기(706)만 갖는 표면(704)을 보여주고 있지만, 표면(704)은 임의의 다른 함량 및 농도의 히드록시기(706)를 가질 수 있다. 반응식(700)에서, 고체 지지체(702)의 표면(704)은 붕산(708)에 노출되고, 이것은 히드록시기(706)와 반응하여 표면(704)에 결합된 붕산 유도체(710)를 형성한다. 고체 지지체-결합 붕산 유도체(710)는 PEM(100)에서 다공성 구조 골격체(102)의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기(104)를 시행할 수 있다. 대안적으로, 고체 지지체-결합 붕산 유도체(710)는 붕산, 다른 붕산 유도체, 또는 폴리-히드록시 화합물과 추가로 반응하여 다른 붕산 유도체를 생성할 수 있다.
도 8a는 다공성 구조 골격체의 세공 표면을 붕소계 산기로 기능화하기 위한 다른 실증적 반응식(800A)을 보여준다. 반응식(800A)은 붕산(708)이 표면(704)에서 2개의 히드록시기(706)와 반응하여 환형 붕산 유도체(802)를 생성하는 것을 제외하고는 반응식(700)과 유사하다. 일부 예에서, 표면(704)은 사전-활성화되어 히드록시기(706)의 표면 밀도를 증가시킬 수 있다. 임의의 적합한 사전-활성화 공정이 사용될 수 있다. 환형 붕산 유도체(802)는 PEM에서 다공성 구조 골격체(102)의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기(104)를 시행할 수 있다. 대안적으로, 이제 도 8b를 참조하여 기술하는 것과 같이, 환형 붕산 유도체(802)는 추가로 반응하여 다른 붕산 유도체를 생성할 수 있다.
도 8b는 다공성 구조 골격체의 세공 표면을 붕산 유도체(예컨대, 보로스피란산기)로 기능화하기 위한 다른 실증적 반응식(800B)을 보여준다. 반응식(800B)에서, 도 8a에 나타낸 반응식(800A)에서 생성된 환형 붕산 유도체(802)는 펜던트 모이어티(A"', B"', C"', 및 D"')를 갖는 폴리-히드록시 화합물(804)과 조합된다. 폴리-히드록시 화합물(804)은 식 (IIa)에 의해 나타내는 구조를 갖는다. 따라서, 펜던트 모이어티(A"', B"', C"', 및 D"')는 식 (IIa)를 참조하여 상기 기술된 펜던트 모이어티(W, X, Y, 및 Z)에 대응할 수 있다. 환형 붕산 유도체(802) 및 폴리-히드록시 화합물(804)은 반응하여 세공 표면(704)에 결합되는 펜던트 모이어티(806)를 갖는 보로스피란산을 생성한다. 펜던트 모이어티(806)를 갖는 고체 지지체-결합 보로스피란산은 PEM(100)에서 다공성 구조 골격체(102)의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기(104)를 시행할 수 있다.
도 9a는 입자(예컨대, 나노입자 또는 마이크로입자)를 붕산 유도체(예컨대, 보로스피란산)를 통해 다공성 구조 골격체의 세공 표면에 커플링하기 위한 실증적 반응식(900A)을 보여준다. PEM(100)의 공극률은 입자(902)의 크기에 의해 제어 및 정의될 수 있다. 입자(902)는 또한 높은 pH 농도구배를 갖는 환경에서의 그 기계적 강도, 그 내구성, 및/또는 물에 대한 그 친화도에 대해 선택될 수 있다(예컨대, 이것은 PEM(100)에 대해 원하는 물-친화도 균형에 따라 친수성 또는 소수성으로 선택될 수 있다).
반응식(900A)은, 히드록시기(904)를 제공하는 입자(902)가 붕산(708)과 조합되는 것을 제외하고는, 반응식(800A)과 유사하다. 그 결과, 세공 표면(704)의 히드록시기(706)는 붕산(708)을 이용해 입자(902)의 표면의 히드록시기(904)에 가교-결합된다. 상기 가교-커플링 반응은 보로스피란산(906)을 통해 세공 표면(704)에 대한 입자(902)의 결합을 야기한다. 입자(902)는 임의의 적합한 물질(예컨대, 실리카, 유리, 알루미나, 세라믹, 클레이, 합성 폴리머, 셀룰로오스)로부터 형성될 수 있으며, 고체 지지체(702)의 물질과 동일하거나 상이할 수 있다.
반응식(900A)은 임의의 순서로 진행하도록 제어될 수 있다. 일부 예에서, 반응식(900A)의 제1 단계는 반응식(800A)을 수행하여 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(802)를 생성하는 단계를 포함한다. 제2 단계에서, 입자(902)는 고체 지지체-결합 환형 붕산 유도체(802)에 노출되어 고체 지지체-결합 보로스피란산(906)을 생성할 수 있다. 대안적으로, 입자(902)는 제1 단계에서 붕산(708)과 조합되어 중간체 붕산 유도체를 생성할 수 있다. 제2 단계에서, 고체 지지체(702)의 표면(704)의 히드록시기(706)는 상기 중간체 붕산 유도체에 노출되고, 이것은 반응하여 고체 지지체-결합 보로스피란산(906)을 생성하고, 입자(902)를 고체 지지체(702)에 결합시킨다. 다른 추가 예에서, 반응식(900A)은 단일 단계에서 모든 반응물을 조합함으로써 형성될 수 있다.
도 9b는 붕산 유도체를 이용하여 폴리머 구조 내의 다수의 시트를 포함하는 다수의 입자를 가교-결합시키기 위한 실증적 반응식(900B)을 보여준다. 반응식(900B)은, 반응식(900B)에서 입자(902)(제1 입자(902))가 (세공 표면(704)의 히드록시기(706) 대신에) 2개의 히드록시기(910)를 제공하는 제2 입자(908)와 가교-결합하는 것을 제외하고는, 반응식(900A)과 유사하다. 제1 입자(902) 및 제2 입자(908)는 각각 마이크로입자 또는 나노입자일 수 있고, 특정 실행예에 적합한 임의의 크기를 가질 수 있다(예컨대, 수 나노미터로부터 수 백 미크론의 크기 범위일 수 있다). 반응식(900B)은 보로스피란 기(914)를 갖는 결합된 입자(912)를 생성한다. 제1 입자(902) 및 제2 입자(908)는 본 명세서에 기술된 임의의 고체 지지체 물질(예컨대, 실리카, 유리, 알루미나, 세라믹, 클레이, 합성 폴리머, 셀룰로오스, 등)로부터 선택될 수 있는 동일한 물질 또는 상이한 물질을 이용해 제조될 수 있다.
반응식(900B)은 도 2b에 나타낸 제2 형상(200B)을 효과적으로 이용하여 PEM(100)을 생성하기 위해 사용될 수 있다. PEM(100)의 공극률은 제1 입자(902) 및 제2 입자(908)의 크기에 의해 정의될 수 있다.
본 명세서에 기술된 붕소-함유 다공성 막은 물 전기분해 및/또는 연료 전지 적용분야에 사용될 수 있다. 실증적 적용분야는 이제 도 10 및 도 11을 참조하여 기술될 것이다.
도 10은 붕소-함유 다공성 막을 통합하는 실증적 양성자 교환 막 물 전기분해 시스템(1000)(PEM 물 전기분해 시스템(1000))을 보여준다. PEM 물 전기분해 시스템(1000)은 전기화학적 반응을 통해 물을 산소(O2) 및 수소(H2)로 분해시키기 위해 전기를 사용한다. PEM 물 전기분해 시스템(1000)의 형상은 단지 실증적일 뿐 제한적이지 않으며, 다른 적합한 형상뿐만 아니라 다른 적합한 물 전기분해 시스템도 붕소-함유 다공성 막을 통합할 수 있다.
도 10에 나타낸 것과 같이, PEM 물 전기분해 시스템(1000)은 막 전극 접합체(1002)(MEA(1002)), 다공성 수송 층(1004-1 및 1004-2), 양극성(bipolar) 플레이트(1006-1 및 1006-2), 및 전기 전원 공급장치(1008)를 포함한다. PEM 물 전기분해 시스템(1000)은 또한 도 10에 나타나 있지 않은 부가적인 또는 대안적인 구성성분을 포함할 수 있으며, 특정 실행예로 기능할 수 있다.
MEA(1002)는 제1 촉매 층(1012-1) 및 제2 촉매 층(1012-2) 사이에 위치하는 PEM(1010)을 포함한다. PEM(1010)은 제1 촉매 층(1012-1)을 제2 촉매 층(1012-2)으로부터 전기적으로 단리하지만, 양성자(H+)와 같은 양이온의 선택적인 전도를 제공하면서, 수소 및 산소와 같은 가스에는 불투과성이다. PEM(1010)은 임의의 적합한 PEM에 의해 시행될 수 있다. 예를 들면, PEM(1010)은 다공성 구조 골격체 내의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기를 갖는 다공성 구조 골격체를 포함하는 붕소-함유 다공성 막(예컨대, PEM(100))에 의해 시행될 수 있다.
제1 촉매 층(1012-1) 및 제2 촉매 층(1012-2)은 임베드(embed)된 전기화학적 촉매(나타내지 않음), 예컨대 백금, 루테늄, 및/또는 또는 세륨(IV) 옥사이드를 갖는 전기적으로 전도성인 전극이다. 일부 예에서, 제1 촉매 층(1012-1) 및 제2 촉매 층(1012-2)은 이오노머를 이용해 형성되어 촉매 나노입자를 결합한다. 상기 언급한 것과 같이, 제1 촉매 층(1012-1) 및 제2 촉매 층(1012-2)을 형성하기 위해 사용되는 이오노머는 본 명세서에 기술된 것과 같은 붕소계 산기, 예컨대 코폴리머(608)를 포함할 수 있다(도 6 참조).
MEA(1002)는 다공성 수송 층(1004-1 및 1004-2) 사이에 놓이고, 이것은 다시 양극성 플레이트(1006-1 및 1006-2) 사이에 놓이며, 유동 채널(1014-1 및 1014-2)은 양극성 플레이트(1006) 및 다공성 수송 층(1004) 사이에 위치된다.
MEA(1002)에서, 제1 촉매 층(1012-1)은 애노드로서 기능하고, 제2 촉매 층(1012-2)은 캐소드로서 기능한다. PEM 물 전기분해 시스템(1000)이 전원 공급장치(1008)에 의해 동력이 공급될 때, 다음의 전기화학적 반쪽-반응에 의해 나타내는 산소 발생 반응(OER)이 애노드(1012-1)에서 일어난다:
양성자는 PEM(1010)을 통해 애노드(1012-1)로부터 캐소드(1012-2)로 전도되고, 전자는 PEM(1010) 주변의 전도성 경로(conductive path)에 의해 애노드(1012-1)로부터 캐소드(1012-2)로 전도된다. PEM(1010)은 애노드(1012-1)로부터 캐소드(1012-2)로 양성자(H+) 및 물의 수송을 허용하지만, 산소 및 수소에는 불투과성이다. 캐소드(1012-2)에서, 양성자는 다음의 전기화학적 반쪽-반응에 의해 나타내는 수소 발생 반응(HER)에서 전자와 조합된다:
상기 OER 및 HER은 다음의 전체적인 물 전기분해 반응에 의해 나타내는 전기분해에 의해 물을 분해시키기 위한 2개의 상보적 전기화학적 반응이다:
도 11은 붕소-함유 다공성 막을 포함하는 실증적 양성자 교환 막 연료 전지(1100)(PEM 연료 전지(1100))를 보여준다. PEM 연료 전지(1100)는 전기화학적 반응의 결과로서 전기를 생성한다. 본 예에서, 상기 전기화학적 반응은 수소 가스(H2) 및 산소 가스(O2)를 반응시켜 물 및 전기를 생성하는 것을 수반한다. PEM 연료 전지(1100)의 형상은 단지 실증적일 뿐 제한적이지 않으며, 다른 적합한 형상뿐만 아니라 다른 적합한 양성자 교환 막 연료 전지도 붕소-함유 다공성 막을 통합할 수 있다.
도 11에 나타낸 것과 같이, PEM 연료 전지(1100)는 막 전극 접합체(1102)(MEA(1102)), 다공성 수송 층(1104-1 및 1104-2), 양극성 플레이트(1106-1 및 1106-2)를 포함한다. 전기 부하(electrical load)(1108)는 MEA(1102)에 전기적으로 연결되고 PEM 연료 전지(1100)에 의해 구동될 수 있다. PEM 연료 전지(1100)는 또한 도 11에 나타나 있지 않은 부가적인 또는 대안적인 구성성분을 포함할 수 있으며, 특정 실행예로 기능할 수 있다.
MEA(1102)는 제1 촉매 층(1112-1) 및 제2 촉매 층(1112-2) 사이에 위치하는 PEM(1110)을 포함한다. PEM(1110)은 제1 촉매 층(1112-1)을 제2 촉매 층(1112-2)으로부터 전기적으로 단리하지만, 양성자(H+)와 같은 양이온의 선택적인 전도를 제공하면서, 수소 및 산소와 같은 가스에는 불투과성이다. PEM(1110)은 임의의 적합한 PEM에 의해 시행될 수 있다. 예를 들면, PEM(1110)은 다공성 구조 골격체 내의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기를 갖는 다공성 구조 골격체를 포함하는 붕소-함유 다공성 막(예컨대, PEM(100))에 의해 시행될 수 있다.
제1 촉매 층(1112-1) 및 제2 촉매 층(1112-2)은 임베드된 전기화학적 촉매(나타내지 않음)를 갖는 전기적으로 전도성인 전극이다. 일부 예에서, 제1 촉매 층(1112-1) 및 제2 촉매 층(1112-2)은 이오노머를 이용해 형성되어 촉매 나노입자를 결합한다. 일부 예에서, 제1 촉매 층(1112-1) 및 제2 촉매 층(1104-2)을 형성하기 위해 사용되는 이오노머는 본 명세서에 기술된 것과 같은 붕산 유도체를 통합하는 이오노머, 예컨대 코폴리머(608)를 포함한다(도 6 참조).
MEA(1102)는 다공성 수송 층(1104-1 및 1104-2) 사이에 놓이고, 이것은 다시 양극성 플레이트(1106-1 및 1106-2) 사이에 놓이며, 유동 채널(1114)은 이들 사이에 위치된다. MEA(1102)에서, 제1 촉매 층(1112-1)은 캐소드로서 기능하고, 제2 촉매 층(1112-2)은 애노드로서 기능한다. 캐소드(1112-1) 및 애노드(1112-2)는 부하(1108)에 전기적으로 연결되고, PEM 연료 전지(1100)에 의해 생성된 전기는 부하(1108)를 구동한다.
PEM 연료 전지(1100)가 작동하는 동안에, 수소 가스(H2)는 PEM 연료 전지(1100)의 애노드 측으로 흐르고, 산소 가스(O2)는 PEM 연료 전지(1100)의 캐소드 측으로 흐른다. 애노드(1112-2)에서, 수소 분자는 다음의 수소 산화 반응(HOR)에 따라 양성자(H+) 및 전자(e-)로 전기적으로 분해된다:
상기 양성자는 PEM(1100)을 통해 애노드(1112-2)로부터 캐소드(1112-1)로 전도되고, 상기 전자는 전도성 경로 및 부하(1108)를 통해 PEM(1110) 주위의 애노드(1112-2)로부터 캐소드(1112-1)로 전도된다. 캐소드(1112-1)에서, 상기 양성자 및 전자는 다음의 산소 환원 반응(ORR)에 따라 산소 가스와 조합된다:
따라서, PEM 연료 전지(1100)에 대한 전체적인 전기화학적 반응은 다음과 같다:
상기 전체적인 반응에서, PEM 연료 전지(1100)는 캐소드(1112-1)에서 물을 생성한다. 물은 PEM(1110)을 통해 캐소드(1112-1)로부터 애노드(1112-2)로 흐를 수 있고, PEM 연료 전지(1100)의 캐소드 측 및/또는 애노드 측에서 출구(outlet)를 통해 제거될 수 있다. 상기 전체적인 반응은 애노드에서 부하(1108)를 구동하는 전자를 생성한다.
본 명세서에 기술된 붕소-함유 다공성 막(예컨대 PEM(100))은 또한 병원체-중화 다공성 막으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 다공성 구조 골격체(102)는 병원체, 예컨대 박테리아, 진균 포자, 및 바이러스의 통과를 방지하기에 충분히 작은 세공을 가질 수 있다. 붕소계 산기(104)는 또한 박테리아, 진균, 및 SARS-CoV-2를 포함하는 바이러스에 대한 항-병원체 활성을 가질 수 있다. 예를 들면, SARS-CoV-2를 포함하는 병원체의 기본적인 단백질 부위는 양성자 교환 막의 산성 붕소 부위와 이온적으로 결합할 수 있고, 이로 인해 상기 양성자 교환 막을 통한 병원체의 통과를 방지한다. 그 결과, 상기 양성자 교환 막은 폐쇄된 공간(예컨대, 가정, 사무실, 병원, 공장, 차량, 비행기, 등)을 위한 안면 마스크, 수술용 마스크, 및 공기 필터 및 공기 정화 시스템에서 시행될 수 있다.
전술한 설명에서, 다양한 실증적 구현예가 첨부된 도면을 참조하여 기술되었다. 그러나, 여기에 다양한 변형 및 변화가 행해질 수 있음이 자명할 것이고, 이후의 청구항의 범위를 벗어나지 않으면서 부가적인 구현예가 시행될 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 기술된 한 구현예의 소정의 특징은 본 명세서에 기술된 다른 구현예의 특징과 조합되거나 이로 치환될 수 있다. 따라서, 상기 설명 및 도면은 제한적인 의미라기보다는 실증적인 것으로 간주되어야 한다.
전술한 설명에서, 다양한 실증적 구현예가 첨부된 도면을 참조하여 기술되었다. 그러나, 여기에 다양한 변형 및 변화가 행해질 수 있음이 자명할 것이고, 이후의 청구항에 개시된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 부가적인 구현예가 시행될 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 기술된 한 구현예의 소정의 특징은 본 명세서에 기술된 다른 구현예의 특징과 조합되거나 이로 치환될 수 있다. 따라서, 상기 설명 및 도면은 제한적인 의미라기보다는 실증적인 것으로 간주되어야 한다.
Claims (20)
- 다공성 구조 골격체; 및
상기 다공성 구조 골격체에 결합된 붕소계 산기;를 포함하는 양성자 교환 막. - 청구항 1에 있어서,
상기 붕소계 산기는 환형 붕산 유도체를 포함하는 양성자 교환 막. - 청구항 1에 있어서,
상기 붕소계 산기는 보로스피란산을 포함하는 양성자 교환 막. - 청구항 1에 있어서,
상기 붕소계 산기는 카테콜 유도체를 포함하는 양성자 교환 막. - 청구항 1에 있어서,
상기 다공성 구조 골격체는 상기 붕소계 산기에 의해 결합된 고체 지지체 입자를 포함하는 양성자 교환 막. - 청구항 1에 있어서,
상기 다공성 구조 골격체는 다공성 폴리머 네트워크를 포함하고,
상기 붕소계 산기는 상기 폴리머 네트워크의 세공 표면에 결합되는 양성자 교환 막. - 청구항 1에 있어서,
상기 다공성 구조 골격체는 무기 물질을 포함하는 양성자 교환 막. - 붕소계 산기를 다공성 구조 골격체에 포함되는 세공 표면에 결합시키는 단계를 포함하는 양성자 교환 막의 제조 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 붕소계 산기는 환형 붕산 유도체를 포함하는 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 붕소계 산기는 보로스피란산을 포함하는 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 붕소계 산기는 카테콜 유도체를 포함하는 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 결합시키는 단계는 붕산 또는 붕산 유도체를 상기 세공 표면에 존재하는 히드록시기와 반응시키는 단계를 포함하는 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 결합시키는 단계는 폴리-히드록시 화합물을 상기 세공 표면에 결합된 붕산 유도체와 반응시키는 단계를 포함하는 방법. - 청구항 8에 있어서,
나노입자를 붕소계 산기에 의해 상기 세공 표면에 커플링하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 캐소드;
애노드; 및
상기 캐소드 및 애노드 사이에 위치된 양성자 교환 막;을 포함하는 막 전극 접합체로서,
상기 양성자 교환 막은 다공성 구조 골격체 및 상기 다공성 구조 골격체 내의 세공 표면에 결합된 붕소계 산기를 포함하는 막 전극 접합체. - 청구항 15에 있어서,
상기 붕소계 산기는 환형 붕산 유도체를 포함하는 막 전극 접합체. - 청구항 15에 있어서,
상기 붕소계 산기는 보로스피란산을 포함하는 막 전극 접합체. - 청구항 15에 있어서,
상기 붕소계 산기는 카테콜 유도체를 포함하는 막 전극 접합체. - 청구항 15에 있어서,
상기 다공성 구조 골격체는 무기 물질을 포함하는 막 전극 접합체. - 청구항 15에 있어서,
상기 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 촉매 및 상기 촉매에 결합하기 위한 이오노머를 포함하고; 및
상기 이오노머는 붕소계 산기를 포함하는 막 전극 접합체.
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