Polybenzimidazoles conducteurs ioniques

par Julien Jouanneau

Thèse de doctorat en Matériaux polymères et composites

Sous la direction de Laurent Gonon.

Soutenue en 2006

à l'Université Savoie Mont Blanc .


  • Résumé

    Depuis de nombreuse années, on promet à la pile à combustible un avenir radieux. Cependant, le développement de cette technologie se heurte toujours à des verrous technologiques. Parmi ceux-ci se trouve la membrane polymère conductrice protonique Nafion®, élément central de la pile. Ainsi, nous nous sommes attachés dans ce travail à étudier des polymères alternatifs, les polybenzimidazoles sulfonés (sPBI). Si les polybenzimidazoles (PBI) sont bien connus pour leur remarquable stabilité thermique et chimique, leur utilisation en pile à combustible nécessite leur fonctionnalisation par des groupements acide sulfoniques SO3H, afin de leur conférer une bonne conduction protonique. Ainsi, la synthèse de sPBI a été réalisée par polycondensation de monomères fonctionnalisés spécialement mis au point. Nous avons ainsi pu obtenir trois séries distinctes de sPBI, présentant des Capacités d'Echange Ionique allant de 0 à 4. 3 meq/g. Toutes les structures de ces polymères ont été vérifiées par différentes techniques analytiques, et il a été montré que le protocole de synthèse retenu permettait d'obtenir des masses molaires supérieures à celle reportées jusque là dans la littérature. A partir de ces polymères, des membranes ont été préparées. Leurs propriétés relatives à une utilisation en pile à combustible ont été étudiées: stabilité thermique, stabilité en milieu aqueux oxydant, gonflement à l'eau et conductivité protonique. Ces études ont mis en lumière l'existence d'interactions entre les SO3H acides et les groupements benzimidazoles basiques de ces polymères, qui influencent fortement les propriétés de ces membranes. Par rapport à d'autres polymères contenant la même quantité de SO3H, les sPBI présentent ainsi une meilleure stabilité mais des gonflements à l'eau et des conductivités plus faibles. Il a fallu atteindre des taux de sulfonation extrêmement élevés pour pouvoir s'affranchir de ce problème et obtenir des membranes ayant les qualités requises

  • Titre traduit

    Ionic conducting polybenzimidazoles


  • Résumé

    Over the last years, many research works have been focused on new clean energy systems. Hydrogen fuel cell seems to be the most promising one. However, the large scale development of this technology is still limited by some key elements. One of them is the polymer electrolyte membrane Nafion® currently used, for which the ratio performance/cost is too low. The investigations we carried out during this PhD work are related to a new class of ionic conducting polymer, the sulfonated polybenzimidazoles (sPBI). Polybenzimidazoles (PBI) are aromatic heterocyclic polymers well-known for their excellent thermal and chemical stability. Lonic conduction properties are obtained by having strong acid groups (sulfonic acid SO3H) on the macromolecular structure. For that purpose, we first synthesized sulfonated monomers. Their polycondensation with an appropriate non-sulfonated co-monomer yields to sPBI with sufonation range from 0 to 100%. Three different sPBI structures were obtained, and verified by appropriate analytical techniques. We also showed that the protocol used for the synthesis resulted in high molecular weights polymers. We prepared ionic conducting membrane by casting sPBI solutions on glass plates. Their properties of stability, water swelling and ionic conductivity were investigated. Surprisingly, the behaviour of sPBI was quite different from the other sulfonated aromatic polymers with same amount of SO3H, their stability was much higher, but their water swelling and ionic conductivity were quite low. We attributed these differences to strong ionic interactions between the sulfonic acid groups and the basic benzimidazole groups of our polymers. However; we managed to salve this problem synthesizing very highly sulfonated PBI, obtaining membranes with a good balance between all the properties necessary

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Informations

  • Détails : 1 vol. (244 p)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. : 172 réf.

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