Compósitos a base de poli (benzimidazol) com polímeros estirênicos e líquido iônico como eletrólito para célula a combustível de membrana trocadora de prótons
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2024
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Resumo
O crescimento populacional e o desenvolvimento industrial das sociedades levam cada vez mais os países à dependência de fontes de energias provenientes de combustíveis fósseis. O consumo exacerbado desses recursos fósseis para a produção de energia por sua vez leva ao seu esgotamento e a alterações ambientais nefastas. Logo, a transição energética para novas fontes de energias renováveis se fez urgente e se tornam crescentes na última década. Entre as diferentes tecnologias que fazem uso de fontes de energia renovável encontram-se as células a combustível (CaC) que são dispositivos que transformam energia química em elétrica que produz como subproduto calor e água e, portanto, são consideradas ambientalmente amigáveis. As CaC do tipo membrana trocadora de prótons (PEMFC), que podem fazer uso de gás hidrogênio como combustível, consiste em uma célula galvânica formada por um ânodo e um cátodo separados por uma membrana polimérica condutora de prótons, um eletrólito. Essa membrana pode ser, usualmente, a Nafion, um fluoropolímero com excelentes propriedades de transporte, temperaturas de operação em torno de 90°C e elevado custo. Outros polímeros como os da família dos poli (benzimidazois) (PBIs) se apresentam como uma alternativa ao uso da Nafion, pois permitem operar a PEMFC em temperaturas mais elevadas, o que favorece a cinética de oxidação dos gases combustível e comburente e que permite um melhor gerenciamento da água produzida. Além disso, o PBI fosfonado ou sulfonado oferece excelentes propriedades de transporte, estabilidade mecânica e térmica e de menor custo que o da Nafion. Líquidos iônicos (LIs) são sais formados por cátions orgânicos volumosos e ânions de diferentes tamanhos e que são líquidos à temperatura inferiores a 100°C. Esses sais oferecem propriedades bastante interessantes, como por exemplo, elevada condutividade, pressão de vapor praticamente nula e ampla janela eletroquímica estável. LIs tem sido utilizados em PEMFCs de diferentes formas: a) como líquidos iônicos poliméricos (PILs) cuja porção do líquido iônico está localizada na cadeia principal do polímero eletrólito ou como b) uma blenda ou compósito junto ao polímero. No caso dos PILs, esses têm sua mobilidade iônica restringida pela própria cadeia do polímero oferecendo, então, uma menor condutividade ao eletrólito. Por outro lado, os LIs adicionados ao polímero na forma de compósitos ou blendas podem ser lixiviados do material, durante sua utilização. Estudos recentes apontam para que a preparação de compósitos de PBI com LI que contém anel imidazol em uma estrutura reticulada em forma de gaiola oferece uma melhora na condutividade do material e favorece a dopagem do polímero com o ácido fosfórico. Sendo assim esté projeto pretende preparar membranas de PBI com o copolímero(estirenodivinil-benzeno) e membranas de PBI com o terpolímero (esireno-Vinilimidazoldivinil-benzeno) incorporadas ou não com o líquido iónico 1-butil-3-metilimidazólio tetrafluoroborato de potássio (BMI.BF4) em seguida pretende-se avaliar suas propriedades físico-químicas a fim de determinar aquelas com as melhores características para serem testadas na célula a combustível do tipo PEMFC.
Resumen
El crecimiento demográfico y el desarrollo industrial de las sociedades llevan cada vez más a los países a depender de fuentes de energía procedentes de combustibles fósiles. El consumo exacerbado de estos recursos fósiles para la producción de energía conduce a su vez a su agotamiento y a cambios ambientales dañinos. Por tanto, la transición energética hacia nuevas fuentes de energía renovables se ha vuelto urgente y ha ido en aumento en la última década. Entre las diferentes tecnologías que hacen uso de fuentes de energía renovables se encuentran las pilas de combustible (CaC), que son dispositivos que transforman la energía química en energía eléctrica que produce calor y agua como subproducto y, por tanto, se consideran amigables con el medio ambiente. El tipo (PEMFC), que puede utilizar gas hidrógeno como combustible, consta de una celda galvánica formada por un ánodo y un cátodo separados por una membrana polimérica conductora de protones, un electrolito. Esta membrana suele ser Nafion, un fluoropolímero con excelentes propiedades de transporte, temperaturas de funcionamiento de alrededor de 90°C y alto costo. Otros polímeros como los de la familia de los poli (benzimidazoles) (PBI) se presentan como una alternativa al uso de Nafion, ya que permiten que los PEMFC operen a temperaturas más altas, favoreciendo la cinética de oxidación del combustible y de los gases oxidantes y permitiendo una mejor gestión. del agua producida. Además, el PBI fosfonado o sulfonado ofrece excelentes propiedades de transporte, estabilidad mecánica y térmica y tiene un costo menor que el Nafion. Los líquidos iónicos (IL) son sales formadas por cationes y aniones orgánicos voluminosos de diferentes tamaños y que son líquidos a temperaturas inferiores a 100 °C. Estas sales ofrecen propiedades muy interesantes como una alta conductividad, una presión de vapor prácticamente nula y una amplia ventana electroquímica estable. Los IL se han utilizado en PEMFC de diferentes maneras: a) como líquidos iónicos poliméricos (PIL) cuya porción del líquido iónico se ubica en la cadena principal del polímero electrolito o como b) una mezcla o compuesto junto al polímero. En el caso de los PIL, su movilidad iónica está restringida por la propia cadena polimérica, ofreciendo así una menor conductividad al electrolito. Por otro lado, los LI añadidos al polímero en forma de compuestos o mezclas pueden lixiviarse del material durante su uso. Estudios recientes indican que la preparación de composites de PBI con LI que contiene un anillo de imidazol en una estructura reticulada en forma de jaula ofrece una mejora en la conductividad del material y favorece el dopaje del polímero con ácido fosfórico. Por lo tanto, este proyecto se propone preparar membranas de PBI con el copolímero (estireno-divinilbenceno) y membranas de PBI con el terpolímero (esireno-vinimidazol-divinilbenceno) incorporado o no con el líquido iónico BMI.BF4, luego se pretende evaluar sus propiedades físicas-químicas. con el objetivo de determinar aquellas con mejores características para ser ensayadas en la pila de combustible tipo PEMFC.
Abstract
The population growth and the industrial development of societies increasingly lead countries to depend on energy sources from fossil fuels. Also, the exacerbated consumption of these fossil resources for energy production in turn leads to their depletion and harmful environmental changes. Therefore, the energy transition to new renewable energy sources has become urgent and has become increasing in the last decade. Among the different technologies that make use of renewable energy sources are fuel cells (CaC), which are devices that transform chemical energy into electrical energy that produces heat and water as a by-product and, therefore, are considered environmentally friendly. Proton exchange membrane type (PEMFC), which can use hydrogen gas as fuel, consists of a galvanic cell formed by an anode and a cathode separated by a proton-conducting polymeric membrane, an electrolyte. This membrane can usually be Nafion, a fluoropolymer with excellent transport properties, operating temperatures around 90°C and high cost. Other polymers such as those from the poly (benzimidazoles) (PBIs) family present themselves as an alternative to the use of Nafion, as they allow the PEMFC to operate at higher temperatures, favoring the oxidation kinetics of fuel and oxidizing gases and allowing better management of the produced water. Furthermore, phosphonated or sulfonated PBI offers excellent transport properties, mechanical and thermal stability and is lower in cost than Nafion. Ionic liquids (ILs) are salts formed by bulky organic cations and anions of different sizes and which are liquids at temperatures below 100°C. These salts offer very interesting properties such as high conductivity, practically zero vapor pressure and a wide stable electrochemical window. ILs have been used in PEMFCs in different ways: a) as polymeric ionic liquids (PILs) whose portion of the ionic liquid is located in the main chain of the electrolyte polymer or as b) a blend or composite next to the polymer. In the case of PILs, their ionic mobility is restricted by the polymer chain itself, thus offering lower conductivity to the electrolyte. On the other hand, ILs added to the polymer in the form of composites or blends can be leached from the material during use. Recent studies indicate that the preparation of PBI composites with LI that contains an imidazole ring in a cageshaped cross-linked structure offers an improvement in the conductivity of the material and favors the doping of the polymer with phosphoric acid. Therefore, this project intends to prepare PBI membranes with the copolymer (styrenedivinylbenzene) and PBI membranes with the terpolymer (esyrene-Vinimidazoledivinylbenzene) incorporated or not with the ionic liquid BMI.BF4, then intend to evaluate their physical properties -chemicals with the aim of determining those with the best characteristics to be tested in the PEMFC type fuel cell.
Descrição
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação Interdisciplinar em Energia e Sustentabilidade da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Energia e Sustentabilidade.
Palavras-chave
células à combustível, energias renováveis, combustíveis fósseis, benzimidazóis