Open Conference Systems, International Conference on Electrochemical Energy and Technology

Font Size: 
POTENTIAL OF BACTERIAL NANOCELLULOSE IN METHANOL-RESISTANT PROTON EXCHANGE MEMBRANE COMPOSITES
Feng Hong, Jin Li Qiao

Last modified: 2014-10-18

Abstract


Bacterial nanocellulose (BNC) is a kind of natural nano-structured macromolecular material obtained via fermentation of  some microorganisms. Compared to the plant cellulose (PC), BNC is  hemically same but distinguished by its special 3D nanostructure  morphology, high tensile strength, high crystallinity, high chemical  purity, high water binding capacity, low gas permeation and good  biocompatibility. Hence, BNC has been studying in various fields,  such as food additives, high quality audio membranes, functional  papers, pervaporation membranes and biomedical materials [1-3]. This kind of nanocellulose material is capable of being produced in  large scale with cost-effective feedstocks [4-10]. Most recently,  the applications of BNC in key devices of proton exchange  membrane fuel cell (PEMFC) including carbon support catalysts,  gas diffusion layer (GDL) and proton exchange membranes [11-12]  have been investigated. However, researches on fabricating the  BNC-based proton exchange membranes that could be applied in  PEMFC and direct methanol fuel cell (DMFC) are not systematic and  in-depth. Therefore, aiming at utilization in PEMFC and DMFC, potential of BNC in fuel cells were evaluated, especially in methanol-resistant proton exchange membrane composites.

In this study, new highly proton-conductive, cost-effective and stable blend BNC composite membranes were prepared  based on methods of doping BNC in Nafion solution or blending BNC  with Nafion. The morphology, molecular structure and thermal  stability were studied by scanning electron microscopy (SEM),  Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermo-gravimetric  analysis (TGA), dynamic mechanical analysis (DMA) and  electrochemical impedance spectroscopy (EIS) along with water  uptake, swelling behavior, dimensional stability, proton conductivity  and methanol permeability tests. Experimental results showed that  composite membranes had more compact structure, better thermal stability and greatly-improved methanol-resistant properties.  The water uptake, area and volume swelling rates were all  decreased and size stability of the composite membranes had been  improved greatly compared to commercial Nafion membranes. The composite membranes showed excellent mechanical and thermal stability regardless of annealing. The performances of annealed  membranes in PEMFC and DMFC showed much higher power  densities than those of pristine membranes at 25oC. The results  demonstrate that the composite membrane has a great potential in  applications in direct methanol fuel cell as a novel proton-conducting membrane.


Keywords


Bacterial nanocellulose; Proton exchange membrane; Methanol-resistant; PEMFC; DMFC

References


[1] F. Hong, B. Wei, and L. Chen, “Preliminary study on biosynthesis  of bacterial nanocellulose tubes in a novel double-silicone-tube bioreactor for potential vascular prosthesis,” BioMed Research  International (2014),  http://www.hindawi.com/journals/bmri/raa/560365/.

[2] G. Yang, C. Wang, F. Hong, X. Yang, and Z. Cao, “Preparation  and characterization of BC/PAM-AgNPs nanocomposites for  antibacterial applications,” Carbohydrate  Polymers, 2015, 115(22):  636–642.

[3] B. Wei, G. Yang, and F. Hong, ”Preparation and evaluation of a  kind of bacterial cellulose dry films with antibacterial properties,”  Carbohydrate Polymers, 2011, 84(1): 533–538.

[4] F. Hong, X. Guo, S. Zhang, S. Han, G. Yang, and L. J. Jönsson,  ”Bacterial cellulose production from cotton-based waste textiles:  Enzymatic saccharification enhanced by ionic liquid pretreatment,”  Bioresource Technology, 2012, 104: 503–508.

[5] F. Hong, Y. X. Zhu, G. Yang, and X. X. Yang, “Wheat straw acid  hydrolysate as a potential cost-effective feedstock for production  of bacterial cellulose,” Journal of Chemical Technology and  Biotechnology, 2011, 86(5): 675–680.

[6] F. Hong and K. Qiu, ”An alternative carbon source from konjac  powder for enhancing production of bacterial cellulose in static  cultures by a model strain Acetobacter aceti subsp. xylinus ATCC  23770,” Carbohydrate Polymers, 2008, 72 (3): 545–549.

[7] A. Cavka, X. Guo, S. Tang, S. Winestrand, L. J. Jönsson, and  F. Hong, “Production of bacterial cellulose and enzyme from waste  fiber sludge,” Biotechnology for Biofuels, 2013, 6: 25.

[8] X. Guo, A. Cavka, L. J. Jönsson, and F. Hong, “Comparison of  methods for detoxification of spruce hydrolysate for bacterial  cellulose production,” Microbial Cell Factories, 2013, 12: 93.

[9] S. Zhang, S. Winestrand, X. Guo, L. Chen, and F. Hong, and  L. J. Jönsson, “Effects of phenolic compounds on the production  of bacterial nanocellulose by Gluconacetobacter xylinus. Microbial  Cell Factories, 2014, 13: 62.

[10] S. Zhang, S. Winestrand, L. Chen, D. Li, L. J. Jönsson, and  F. Hong, “Tolerance of the nanocellulose-producing bacterium  Gluconacetobacter xylinus to lignocellulose-derived acids  and  aldehydes,” Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2014,  62: 9792–9799.

[11] G. Jiang, J. Qiao, and F. Hong, “Application of phosphoric acid  and phytic acid doped bacterial cellulose as novel proton-conducting  membranes to PEMFC,” International Journal of Hydrogen Energy,  2012, 37(11): 9182–9192.

[12] G. Jiang, J. Zhang, J. Qiao, Y. Jiang, H. Zarrin, Z. Chen, and  F. Hong. Bacterial nanocellulose/nafion composite membranes for  low temperature polymer electrolyte fuel cells,” Journal of Power  Sources, 2015, 273: 697–706.


Conference registration is required in order to view papers.