Novo poli(álcool vinílico) sulfonado/carboximetilcelulose/acrilamida

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 22017 (2022) Citar este artigo

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Novas membranas híbridas polieletrolíticas são preparadas misturando carboximetilcelulose (CMC)-álcool polivinílico (PVA)-acrilamida (AA). O ácido succínico e o ácido clorossulfônico (CSA) são empregados como reticulantes e modificadores, respectivamente. Além disso, nanotubos de carbono carboxilado (CCNT) e carvão ativado sulfonado (SAC) como cargas são usados ​​para atingir estabilidade química e mecânica apropriada para uso como membranas polieletrólitas (PEM). CMC, PVA e AA são misturados e tratados com CSA, CCNT e SAC em diferentes concentrações. Primeiro, a solução CMC/PVA/AA é modificada usando CSA para produzir uma matriz polimérica sulfonada. Em segundo lugar, uma quantidade diferente de CCNT ou SAC foi adicionada como enchimento para aumentar a capacidade de troca iônica (IEC), a condutividade iônica e a estabilidade química. Terceiro, a solução é moldada como membranas polieletrolíticas. As interações químicas entre CMC, PVA, AA e outros componentes da membrana foram confirmadas usando várias técnicas de caracterização, como espectroscopia de espalhamento Raman e infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Além disso, a resistência mecânica, a absorção de metanol, a fração de gel, a capacidade de troca iônica (IEC), a condutividade de prótons (PC), a estabilidade química e térmica foram determinadas como funções de diversos componentes de modificação da membrana. Os resultados revelam que o aumento de CSA, CCNT e SAC está levando ao aumento dos valores de IEC atingindo 1,54 mmol/g para (CMC/PVA-4% CSA), 1,74 mmol/g para (CMC/PVA-4%CSA-2% CCNT) e 2,31 mmol/g para (CMC/PVA-4% CSA-2% SAC) em comparação com 0,11 mmol/g para membrana CMC/PVA/AA não modificada. Sequencialmente, o valor da condutividade do próton é alterado de 1 × 10–3 S/cm na membrana CMC/PVA/AA não modificada para 0,082 S/cm para (CMC/PVA-4% CSA), 0,0984 S/cm para (CMC /PVA-4%CSA-2%CCNT) e 0,1050 S/cm para (CMC/PVA-4% CSA-2% SAC). Tais resultados aumentam a viabilidade potencial do híbrido CMC/PVA/AA modificado como membranas polieletrolíticas.

Atualmente, as células a combustível de metanol direto (DMFC) representam uma alternativa inventiva para as fontes de energia atuais entre os outros tipos de células a combustível (FCs). O DMFC teve importância significativa nos últimos anos devido à sua baixa temperatura operacional, alta densidade de potência, alta eficiência de conversão de energia e por se tornar um combustível mais barato1. Pelo contrário, o DMFC é considerado uma das ferramentas importantes que contribuem para a transição para operações neutras em carbono2.

A membrana eletrolítica é o coração operacional da célula, é responsável por conduzir prótons (H+) da parte anódica para o cátodo. Algumas das características importantes da membrana polieletrolítica são bons condutores de prótons (H+), isolantes elétricos, cruzamento de metanol muito baixo, quimicamente estável e resistência durante as condições de operação da célula3.

No entanto, uma restrição importante do DMFC é a eliminação de metanol através da membrana eletrolítica e a produção de eletrólitos poliméricos altamente reativos com gerenciamento ideal de água. Além disso, a incrustação é um dos problemas que pode afetar as membranas poliméricas4, diminuindo sua eficiência através do bloqueio dos sítios de ligação de prótons. Particularmente, a incrustação que ocorreu por impurezas de combustível ou outras interações biológicas e químicas5. A membrana polimérica incrustada deve ser submetida a processo de recuperação ou substituída, o que aumentaria a eficiência operacional em termos de custos. Rana et al.6 descobriram que a adição de sais de prata à membrana polimérica leva a uma melhoria do efeito anti-incrustante.

Hoje em dia, o Nafion® é amplamente utilizado como eletrólito em células a combustível de membrana eletrolítica polimérica (PEMFC), mas é limitado pelo cruzamento do metanol e por problemas de gerenciamento de água .

A membrana polieletrolítica pode ser produzida utilizando diferentes tipos de polímeros após o processo de modificação para realçar o caráter desejado e melhorar sua condutividade iônica. A modificação pode ser feita através de mistura e/ou tratamento químico9. A introdução de materiais inorgânicos como HAP10, CNT11 ou GO12 com membranas polieletrolíticas leva à melhoria da condutividade protônica e à estabilidade mecânica, além de aumentar o efeito de barreira, que é a importante propriedade de prevenir o cruzamento de combustível .