Broadband Dielectric Spectroscopic Studies of Annealed Nafion® Membranes

Abstract

The dynamics of macromolecular motions as coupled to proton migration in annealed Nafion ® membranes was explored using broadband dielectric spectroscopy. These fundamental molecular processes are of interest at temperatures above 100 o C; in particular, spectral changes were investigated in real-time at 140º C. Loss permittivity vs. frequency spectra of both β and α relaxations showed increased relaxation times with annealing and that water de-sorption was mainly responsible for these behaviors. Spectra were analyzed using the Havriliak-Negami equation and relaxation/conductivity parameters were obtained from equation fitting to experimental data to understand the nature and coupling of conduction and relaxations as annealing progressed in the instrument. A parameter N, reflecting the connectedness of charge hopping pathways, indicated tortuous random pathways. As N decreased with increased annealing time, the conductivity network appears to accumulate more charge traps.

Broadband dielectric spectroscopy of Nafion‐117, sulfonated polysulfone (sPSF) and sulfonated polyether ketone (sPEK) membranes

“…Among these membranes, Nafion has been investigated using BDS . On the other hand, the other two sulphonated polymers (sPSF and sPEK) are seldom investigated.…”

Dielectric relaxations in phosphoric acid‐doped poly(2,5‐benzimidazole) and its composite membranes

“…It has been established that the molecular weight, chain orientation/entanglements, and dielectric relaxation behavior of the polymer materials have a significant effect on the proton conduction of the membranes . Hence, Nafion has been widely investigated using broadband dielectric spectroscopy (BDS) for the structure‐dependent conductivities at various experimental conditions . The temperature and dopants have been shown to significantly alter the relaxation properties of the material those in‐turn affect the proton conduction behavior .…”

Relação morfologia-propriedades elétricas de eletrólitos compósitos de Nafion para célula a combustível de alta temperatura

“…Devido à complementaridade entre as técnicas de DS e DMA (Análise Dinâmico-Mecânica), alguns autores tentaram estabelecer a relação das relaxações observadas nos espectros dielétrico e mecânico do Nafion [16,42]. A relaxação dielétrica presente em altas frequências (f ~ 10 5 Hz) foi atribuída à parcial sobreposição das relaxações β' (cadeia principal) e β" (cadeias laterais) [118]. No entanto, tal sobreposição impediu o estudo separado de cada processo, e a determinação dos respectivos tempos de relaxação permaneceu incerta [118].…”

“…A relaxação dielétrica presente em altas frequências (f ~ 10 5 Hz) foi atribuída à parcial sobreposição das relaxações β' (cadeia principal) e β" (cadeias laterais) [118]. No entanto, tal sobreposição impediu o estudo separado de cada processo, e a determinação dos respectivos tempos de relaxação permaneceu incerta [118]. A correspondência da relaxação α medida por DS e DMA foi satisfatoriamente obtida; um máximo é observado em baixas frequências nos espectros dielétrico e mecânico do Nafion em temperaturas similares [40,118].…”

“…No entanto, tal sobreposição impediu o estudo separado de cada processo, e a determinação dos respectivos tempos de relaxação permaneceu incerta [118]. A correspondência da relaxação α medida por DS e DMA foi satisfatoriamente obtida; um máximo é observado em baixas frequências nos espectros dielétrico e mecânico do Nafion em temperaturas similares [40,118]. No entanto, apesar da investigação da relaxação α ter iniciado há mais de três décadas, a sua origem é desconhecida e impôs um grande desafio a diversos grupos de pesquisa [30,41,42,48].…”