• AEM
• anion exchange membranes
• electrolysis
• polyketone
• solid-state NMR

Una tecnologia promettente per la produzione di idrogeno verde si basa sull’elettrolisi dell’acqua utilizzando membrane a scambio anionico (AEM). Tipicamente, le AEM si basano su polimeri funzionalizzati con gruppi carichi positivamente, la cui struttura chimica può essere regolata per migliorare e ottimizzare le prestazioni e l'efficienza della membrana. Le proprietà applicative finali della membrana sono anche strettamente legate alle proprietà strutturali e dinamiche della rete polimerica sia a livello molecolare che supramolecolare. Altro aspetto cruciale è lo stato dell’acqua e il suo grado di interazione con la rete polimerica, che determina la formazione dei cosiddetti canali ionici. Lo studio di queste proprietà è essenziale per comprendere il meccanismo del trasporto degli ioni all'interno di queste membrane. In questo lavoro di tesi, è stata condotta una caratterizzazione NMR allo stato solido (SSNMR) di AEM per elettrolizzatori a base di un polichetone a basso peso molecolare tal quali e idratati. Questo studio mira a rivelare la struttura e la dinamica delle catene polimeriche e dei gruppi funzionali delle membrane, nonché la dinamica dell’acqua adsorbita. In particolare, gli spettri SSNMR ad alta risoluzione 1H e 13C hanno fornito informazioni sulle proprietà strutturali della rete polimerica. I tempi di rilassamento 1H T1 e 1H T2 a temperatura variabile hanno rivelato informazioni dettagliate sulla dinamica delle catene polimeriche legata alla transizione vetrosa. Inoltre, sono stati analizzati spettri 2H dell'acqua nelle membrane idratate con acqua deuterata che hanno permesso di studiare la dinamica dell'acqua adsorbita dalla matrice polimerica.

One promising technology for producing green hydrogen relies on the electrolysis of water using anion exchange membranes (AEMs). AEMs are typically based on polymer backbones with positively charged groups, whose chemical structure can be adjusted to enhance and optimize the membrane's performance and applicative efficiency. The final properties of the membrane are also closely linked to the structural and dynamic properties of the polymer network at both the molecular and supramolecular levels. Another crucial aspect is the state of water and its degree of interaction with the polymer network, which determines the formation of the so-called ionic channels. Investigating these properties is essential to understand the mechanism of ion transport within these membranes. In this work, we present the solid-state NMR (SSNMR) characterization of AEMs for water electrolyzers based on a low molecular weight polyketone in its ambient and hydrated form. This study aims to reveal the structure and dynamics of membrane’s polymer chains and functional groups, as well as the dynamics of water adsorbed by the membrane. In particular, 1H and 13C high-resolution SSNMR spectra provided information on the structural properties of the polymer network. Variable temperature 1H T1 and 1H T2 relaxation times revealed insights into the dynamics of the polymer chains connected to the glass transition. Additionally, 2H spectra of water in membranes hydrated with deuterium oxide were analyzed to study the dynamics of water adsorbed by the polymer matrix.