Zedda, Marco:

Determination of membrane degradation products in the product water of polymer electrolyte membrane fuel cells using liquid chromatography mass spectrometry

Duisburg, Essen (2011), 100 Bl.
Dissertation / Fach: Chemie
Fakultät für Chemie
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Eine der Hauptursachen für den Abbau von Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) während des Betriebes in Brennstoffzellen ist die Bildung von Hydroxyl-Radikalen. Die Radikale greifen das Polymer an, was zu Kettenspaltung und folglich zur Zersetzung der Membran führt. Die vorliegende Arbeit untersucht Zersetzungsprodukte von sulfonierten aromatischen Kohlenwasserstoff-Membranen auf Basis einer Produktwasseranalytik. Abbauprodukte des untersuchten Membran-Typs sowie deren Nutzung für diagnostische Zwecke über eine Produktwasseranalytik wurden bisher noch nicht untersucht.
Diese Arbeit zeigt das Potential der Festphasenextraktion und der Flüssig-keitschromatographie Tandem-Massenspektrometrie (SPE-LC-MS/MS) zur Anreicherung, Trennung, Charakterisierung, Identifizierung und Quantifizierung von Membranabbauprodukten im Produktwasser von Brennstoffzellen. Zu diesem Zweck wurden mehrere polare aromatische Kohlenwasserstoffe mit verschiedenen funktionellen Gruppen als Modellverbindungen für die Entwicklung zuverlässiger Anreicherungs-, Trennungs- und Nachweismethoden verwendet.
Die Untersuchungen dieser Arbeit haben gezeigt, dass Mixed-Mode-Materialien mit schwachen Anionenaustauscher- und Umkehrphaseneigenschaften zur reproduzierbaren Aufkonzentrierung von Molekülen und Ionen aus dem Produktwasser geeignet sind. Die chromatografische Trennung für verschiedene polare aromatische Kohlenwasserstoffe konnte mittels Phasen optimierter Flüssigkeitschromatographie unter erstmaliger Anwendung eines Lösungsmittel-gradienten als auch auf einer C18-Phase erreicht werden. Die empfindliche und selektive Detektion von Degradationsprodukten im Produktwasser mittels Tandem-Massenspektrometrie konnte erfolgreich anhand von Modellsubstanzen demonstriert werden. Mit der Hybrid-Massenspektrometrie (Q Trap) konnte die Hydroxy-benzoesäure (HBA) im Produktwasser identifiziert und bestätigt werden. Weiterführende Untersuchungen haben gezeigt, dass HBA durch den Abbau der Polymer-Elektrolyt-Membran in einem oxidativem Stresstest mit Hydroxylradikalen gebildet wird. Durch eine flüssigchromatografische Trennung von drei möglichen Strukturisomeren der HBA auf einer C18-Phase konnte die 4-HBA in allen Proben identiziert werden. Die 4-HBA konnte weiterhin einem Monomer der getesteten Membran zugeordnet werden. In Verbindung mit der Gelpermeationschromatografie (GPC) Analyse konnte ein Degradationsmechanismus für die Bildung von 4-HBA vorgeschlagen werden.

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