Dottorato in MODELLI MATEMATICI PER L'INGEGNERIA, ELETTROMAGNETISMO E
NANOSCIENZE

Titolo della tesi: Composite Membranes added with Graphene Oxide and Functionalized Graphene Oxide for Anion and Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers

Negli ultimi anni l’interesse per l’elettrolisi nella produzione di idrogeno è aumentato, in particolare come mezzo per utilizzare l’elettricità in eccesso proveniente da fonti rinnovabili intermittenti. Un approccio promettente per ridurre le emissioni di CO₂ consiste, infatti, nell’utilizzare l’idrogeno — prodotto attraverso tecnologie di conversione avanzate e pulite — in gas, prodotti chimici e combustibili. L’elettrolisi dell’acqua rappresenta, in particolare, un metodo ecocompatibile per produrre idrogeno puro come vettore energetico, utilizzando elettricità proveniente da fonti rinnovabili. In questo contesto, gli Elettrolizzatori con Membrana a Scambio Protonico (PEMWE) e gli Elettrolizzatori con Membrana a Scambio Anionico (AEMWE) sono tra i dispositivi più promettenti, ma presentano ancora alcune problematiche legate alla stabilità e alla conducibilità dell’elettrolita polimerico, che ne ostacolano l’uso su larga scala. In questo lavoro di tesi ci si è concentrati sullo sviluppo di membrane composite al fine di mitigare tali problemi. A questo scopo, diverse quantità di Ossido di Grafene (GO) e di GO opportunamente funzionalizzato sono state aggiunte allo ionomero commerciale Fumion (per AEMWE) e allo ionomero Nafion (per PEMWE), con l’obiettivo di ottenere membrane composite con maggiore stabilità e conducibilità. Nel caso delle Membrane a Scambio Anionico (AEMs), il GO non funzionalizzato, sintetizzato mediante il metodo di Hummers Modificato, è stato inizialmente studiato per valutare l’effetto dell’additivo all’interno della matrice polimerica. Successivamente, l'Ossido di Grafene è stato funzionalizzato con gruppi ammonio quaternario utilizzando tre diverse innovative e semplici sintesi, e le membrane composite risultanti sono state studiate per analizzare l’effetto della quaternizzazione del GO. Per quanto riguarda le Membrane a Scambio Protonico (PEMs), il GO è stato funzionalizzato con gruppi fosfonato mediante la reazione di Arbuzov. Le PEM composite preparate con questo additivo sono state caratterizzate ed è stato studiato sia l’effetto della funzionalizzazione sia l’influenza della quantità di additivo all’interno della membrana. Tutti gli additivi sono stati caratterizzati mediante diverse tecniche, tra cui TGA, SEM, ATR-FTIR, Spettroscopia Raman, XRD e XPS, al fine di ottenere informazioni sulla morfologia, la struttura e la natura chimica dei campioni. Allo stesso modo, tutte le membrane a scambio ionico sono state caratterizzate sia a livello fondamentale che applicativo, attraverso TGA, SEM, ATR-FTIR, Capacità di Scambio Ionico (I.E.C.), Assorbimento d’Acqua (W.U.), stabilità in ambiente alcalino (per Fumion-GO), curve di stress-strain e misure di conducibilità, nonché test in cella di elettrolisi per valutare le prestazioni e la stabilità dei materiali. Il primo capitolo della tesi (Capitolo 1) è incentrato sul contesto scientifico, con particolare attenzione alla spiegazione dei fenomeni di degrado, poiché tali studi sono stati approfonditi e sono inclusi in una review attualmente in fase di pubblicazione. Il capitolo successivo è dedicato ai materiali e ai metodi sperimentali (Capitolo 2), seguito da tre capitoli dedicati ai diversi tipi di membrane composite, ovvero AEMs additivate con Ossido di Grafene (Capitolo 3), AEMs additivate con Ossido di Grafene quaternizzato (Capitolo 4) e PEMs additivate con Ossido di Grafene fosfonato (Capitolo 5). Infine, l’ultimo capitolo (Capitolo 6) presenta le conclusioni e le possibili prospettive future.