Obtención de membranas poliméricas para celdas de poder

Abstract

"Las crecientes preocupaciones sobre el agotamiento de recursos energéticos derivados de los combustibles fósiles, y el problema de cambio climático asociados a éstos, han impulsado la búsqueda de diferentes alternativas de producción energética. Como consecuencia de ello, las celdas de combustible con membrana intercambiadora de protones (PEMFC, por sus siglas en inglés) han causado un gran impacto, debido a su eficiencia energética y la nula emisión de contaminantes al medio ambiente durante su funcionamiento.

Los polímeros sulfonados han sido considerados como una adecuada alternativa a los polímeros perfluorados para la obtención de membranas de intercambio protónico en celdas de combustible. Actualmente, el Nafion es el polímero perfluorado comercial más utilizado para dicha aplicación; sin embargo, el elevado costo, el límite en la temperatura de funcionamiento y la baja estabilidad química son problemas serios que ha presentado este tipo de polímero.

En este contexto, la investigación realizada en este trabajo fue acerca de la sulfonación, obtención y caracterización de membranas de polisulfona, así como la incorporación de óxido de grafeno a éstas, con la posible aplicación en celdas de poder.

En términos de la sulfonación, se evaluó el efecto de la relación molar entre el polímero y el agente sulfonante (ácido clorosulfónico) sobre el porcentaje de sulfonación logrado. La relación molar que brindó el mayor grado de sulfonación (63%) fue de 1:1. Por encima de dicha relación no fue posible generar membranas, ya que la solubilidad del polímero sulfonado se incrementó drásticamente, aunado al rompimiento de cadena generado por la reacción de sulfonación. Se evaluaron diferentes propiedades de los materiales obtenidos, tales como las mecánicas (módulo de Young, esfuerzo máximo a la tensión y deformación al rompimiento); térmicas (resistencia térmica y transiciones térmicas) y la capacidad de intercambio iónico; siendo el parámetro de mayor interés la capacidad de intercambio iónico, IEC (Ion Exchange Capacity, por sus siglas en inglés) de las membranas poliméricas generadas, ya que es una especificación importante de los polímeros comerciales para dicha aplicación. En este sentido, se logró obtener una membrana de polisulfona sulfonada con un valor de IEC (1.31 meq/g) ligeramente mayor al del polímero comercial Nafion® 117 (1.02 meq/g).

Por otro lado, la adición de óxido de grafeno a la matriz polimérica sulfonada, incrementó sus propiedades mecánicas, tales como el módulo de Young, la deformación al rompimiento y el esfuerzo máximo a la tensión; las cuales habían sido reducidas por el proceso de sulfonación debido a la alta oxidación que posee el agente sulfonante sobre la polisulfona. Sin embargo, la presencia de los grupos epoxi, hidroxilo y carboxilo, que se encuentran en la superficie del óxido de grafeno interactúan con los grupos ácido sulfónico, lo que provoca que disminuya la hidrofilicidad de las membranas, propiedad importante para la conducción protónica en una celda de poder.

En cuanto a la resistencia térmica de los materiales generados, la sulfonación y la presencia del óxido de grafeno, modificaron ésta de forma antagónica. A mayor grado de sulfonación menor resistencia térmica, y a mayor contenido de óxido de grafeno, mayor resistencia térmica. Por lo que es posible contrarrestar el efecto negativo de la sulfonación sobre dicha propiedad."

"The growing concerns about the depletion of energy resources derived from fossil fuels, and the associated climate change problem, have driven the search for alternative energy production alternatives. As a result, proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) have made a big impact, due to their energy efficiency and the emission of no pollutants to the environment during their operation. Sulfonated polymers have been considered as an adequate alternative to perfluorinated polymers for the production of proton exchange membranes in fuel cells. Currently, Nafion is the most widely used commercial perfluorinated polymer for such application. However, the high cost, the limit in the operating temperature and the low chemical stability are serious problems that this type of polymer has presented. In this context, the research carried out in this work was about the sulfonation, generation and characterization of polysulfone membranes, as well as the incorporation of graphene oxide to these, with the possible application in fuel cells. In terms of sulfonation, the effect of the molar ratio between the polymer and the sulfonating agent (chlorosulfonic acid) on the achieved percentage of sulfonation was evaluated. The molar ratio that provided the highest degree of sulfonation (63%) was 1: 1. Above this relationship it was not possible to generate membranes, since the solubility of the sulfonated polymer increased drastically, coupled with the chain breakage generated by the sulfonation reaction. Different properties of the obtained materials, such as mechanical behavior (Young's modulus, tensile strength and deformation at break), and thermal (thermal resistance and thermal transitions) were evaluated; along with the ion exchange capacity. The most interesting parameter being the ion exchange capacity (IEC) of the polymer membranes generated, since it is a specification for commercial polymers for such application. In this sense, a sulfonated polysulfone membrane with a slightly higher IEC value (1.31 meq/g) than the commercial Nafion® 117 polymer (1.02 meq/g) was obtained. On the other hand, the addition of graphene oxide to the sulfonated polymer matrix increased its mechanical properties, such as the Young's modulus, the deformation at break and the tensile strenght; wich had been reduced by the sulfonation process due to the high oxidation of the sulfonating agent on the polysulfone. However, the presence of the epoxy, hydroxyl and carboxyl groups found on the surface of the graphene oxide interact with the sulfonic acid groups, which causes a decrease in the hydrophilicity of the membranes, an important property for proton conduction in a fuel cell. As for the thermal resistance of the materials generated, the sulfonation and the presence of the graphene oxide modified the latter in an antagonistic way. The higher the degree of sulfonation the lower the thermal resistance, and the higher the content of graphene oxide, the higher the thermal resistance. Therefore, it is possible to counteract the negative effect of sulfonation on said property."