Sviluppo di membrane elettrolitiche polimeriche sostenibili prive di PFAS funzionalizzate con antiossidanti organici naturali per applicazioni PEMFC.

Abstract

La transizione verso sistemi energetici sostenibili ha reso le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) una tecnologia chiave per la generazione di energia a zero emissioni. Tuttavia, l'impatto ambientale e i costi elevati delle membrane perfluorurate (PFSA) spingono la ricerca verso alternative PFAS-free. Questa tesi, sviluppata durante un tirocinio di tre mesi presso Cellfion AB (Stoccolma) nell'ambito del progetto PROMISERS, riguarda lo sviluppo di membrane basate su una miscela di Polietere-etere-chetone solfonato (SPEEK) e Acetato ftalato di cellulosa (CAP).

Una sfida critica per gli ionomeri idrocarburici è il degrado chimico causato dalle specie reattive dell'ossigeno (ROS), verso cui lo SPEEK è particolarmente vulnerabile. Per mitigare il problema, sono stati studiati tre antiossidanti fenolici naturali (Resveratrolo, Naringina e Quercetina) e due miscele naringina/complesso di cerio come radical scavenger. Lo screening sperimentale ha compreso la Capacità di Scambio Ionico (IEC), misure in H-Cell per conducibilità e Resistenza dell'Area Specifica (ASR), e test di Fenton ex-situ.

La formulazione con Naringina all'1% in peso è stata selezionata per la validazione in-situ in cella grazie alla sua superiore attività antiossidante e resilienza meccanica. I risultati in-situ hanno confermato un effetto stabilizzante: mentre la membrana Blank ha mostrato un progressivo calo di performance, il sistema drogato con Naringina ha raggiunto uno stato stabile. Questo suggerisce un potenziale meccanismo di rigenerazione dello scavenger in-situ, indicando la Naringina come un promettente stabilizzatore per PEMFC sostenibili.

The transition to sustainable energy has positioned Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) as key zero-emission technologies. However, the environmental impact and high cost of perfluorinated (PFSA) membranes drive the search for PFAS-free alternatives. This thesis, conducted during a three-month internship at Cellfion AB (Stockholm) within the PROMISERS project, focuses on membranes based on a blend of Sulfonated Polyether Ether Ketone (SPEEK) and Cellulose Acetate Phthalate (CAP).

A major challenge for hydrocarbon ionomers is chemical degradation by reactive oxygen species (ROS), to which SPEEK is particularly vulnerable. To address this, three natural phenolic antioxidants (Resveratrol, Naringin, and Quercetin) and two naringin/cerium-complex mixtures were evaluated as radical scavengers. A systematic screening included Ion Exchange Capacity (IEC), H-Cell measurements for proton conductivity and Area Specific Resistance (ASR), and ex-situ Fenton’s tests.

Naringin 1% wt. was selected for in-situ fuel cell validation due to its superior antioxidant activity and mechanical resilience compared to other candidates. While ex-situ tests were harsh for all doped membranes, in-situ results confirmed a stabilization effect: unlike the Blank membrane, which showed a progressive performance decline, the Naringin-doped system achieved a stable state. This suggests a potential in-situ scavenger regeneration mechanism, highlighting Naringin as a promising stabilizer for sustainable PEMFCs.