Nafion | |
Unități monomerice ale lui Nafion. | |
Identificare | |
---|---|
Numele IUPAC | 1,1,2,2-tetrafluoreten; acid 1,1,2,2-tetrafluoro-2- [1,1,1,2,3,3-hexafluoro-3- (1,2,2-trifluoretenoxi) propan acid Acid -2-il] oxietanezulfonic |
N o CAS | |
PubChem | 61889 |
ChEBI | 53682 |
ZÂMBETE |
C (= C (F) F) (OC (C (C (F) (F) F) (OC (C (F) (F) S (= O) (= O) O) (F) F) F ) (F) F) FC (= C (F) F) (F) F , |
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / C7HF13O5S.C2F4 / c8-1 (9) 2 (10) 24-5 (15.16) 3 (11.4 (12.13) 14) 25-6 (17.18) 7 (19.20) 26 (21.22) 23; 3-1 (4) 2 (5) 6 / h (H, 21.22.23); Std. InChIKey: FOYUGSIADQEOEK-UHFFFAOYSA-N |
Proprietăți chimice | |
Formula brută | pentru C 2 F 4 –C 7 HF 13 O 5 S |
Masă molară | 544,139 ± 0,014 g / mol C 19,87%, H 0,19%, F 59,35%, O 14,7%, S 5,89%, |
Precauții | |
SGH | |
Avertizare H315, H319, H335, P280, P312, P302 + P352, P304 + P340, P332 + P313, P337 + P313, H315 : Provoacă iritarea pielii H319 : Provoacă iritații grave ale ochilor H335 : Poate irita sistemul respirator P280 : Purtați mănuși de protecție / îmbrăcăminte de protecție / protecție a ochilor / protecție a feței. P312 : Sunați la un CENTRU DE TOXICOLOGIE sau la un medic / medic dacă vă simțiți rău. P302 + P352 : În caz de contact cu pielea: spălați cu multă apă și săpun. P304 + P340 : După inhalare: Scoateți victima la aer curat și țineți-o în repaus într-o poziție confortabilă pentru respirație. P332 + P313 : Dacă apare iritarea pielii: Solicitați asistență medicală. P337 + P313 : Dacă iritația ochilor persistă: Solicitați asistență medicală . |
|
NFPA 704 | |
1 2 1 | |
Unități de SI și STP, cu excepția cazului în care se prevede altfel. | |
Nafion este numele de brand al unui fluoropolimer copolimer bazat pe tetrafluoretilenă sulfonate descoperit la sfarsitul anilor 1960 de Walther Grot la DuPont . Este primul reprezentant al ionomerilor , o clasă de polimeri sintetici în care o fracțiune mică, dar semnificativă a unităților monomerice conține grupări ionice sau ionizabile . Proprietățile ionice particulare ale Nafionului rezultă din încorporarea grupărilor perfluorovinil eter terminate de grupări sulfonat pe o coloană vertebrală din politetrafluoretilenă (PTFE). Nafion prezintă un interes deosebit ca un conductor de protoni pentru membranele de schimb de protoni ( PEM ) destinat pilelor de combustibil PEM datorită stabilității sale termice și electrice foarte bune.
Baza chimică pentru proprietățile conductoare excepționale ale Nafionului este studiată pe larg. Conductivitatea ionică a Nafionului crește odată cu gradul său de hidratare. Expunerea Nafion la un mediu umidificat sau apă lichidă crește numărul de molecule de apă asociate cu fiecare grup de acid sulfonic –SO 3 H.. Natura hidrofilă a grupurilor ionice atrage moleculele de apă, care tind să solvate grupurile ionice și să disocieze protoni labili de acestea . Protonii disociați „sărit” de la un sit acid la altul printr-un mecanism facilitat de molecule de apă și legături de hidrogen . Sub efectul hidratării, Nafion formează faze de dimensiuni nanometrice formând o rețea interconectată de domenii hidrofile care permit circulația apei și a cationilor în timp ce membranele nu conduc anioni și electroni . Nafionul poate fi produs în diferite forme cationice pentru a-și regla conductivitatea cationică.
Nafion poate fi produs atât ca rășină sub formă de pulbere, cât și ca copolimer . Are diferite configurații chimice și, prin urmare, mai multe nume în nomenclatura IUPAC .
Greutatea moleculară a Nafion este variabilă datorită varietății de procese pentru producerea acesteia și configurații în soluție. Structura generală a lui Nafion, prezentată mai sus, evidențiază variabilitatea acestui material. Astfel, unitățile monomere prezintă variații ale lanțului între grupurile eterice , indicate de indicele z . Metodele convenționale pentru determinarea greutății moleculare, cum ar fi împrăștierea luminii și cromatografia prin permeație pe gel (en) nu sunt aplicabile, deoarece Nafion este insolubil; cu toate acestea, masa moleculară a Nafionului a fost estimată a fi între 100 și 1000 kDa .
Mai degrabă decât greutatea moleculară, greutatea echivalentă ( EW ) și grosimea materialului sunt utilizate pentru a descrie membranele disponibile în comerț. Masa echivalentă este numărul de grame de Nafion uscat per mol de grupe de acid sulfonic atunci când materialul este sub formă acidă. Cele Nafion 117 spectacole , de exemplu , un Nafion cu o greutate echivalentă de 1100 g și o grosime de 0,007 inch .
În loc de masă echivalentă, rășinile schimbătoare de ioni sunt de obicei descrise în termeni de capacitate de schimb ionic ( IEC ), care este exprimată ca inversă a masei echivalente, adică: IEC = 1000 / EW .
Morfologia membranelor Nafion face obiectul unei cercetări continue pentru a controla mai bine proprietățile acestora. Structura Nafion își condiționează proprietățile față de apă , stabilitatea hidratării sale la temperaturi ridicate, rezistența sa electro-osmotică, precum și stabilitatea sa termică, mecanică și la oxidare. Au fost propuse mai multe modele pentru a descrie morfologia lui Nafion pentru a ține seama de proprietățile sale particulare de transport al ionilor.
Primul model, numit rețeaua de clustere sau rețeaua de canale , a fost propus în 1982 de Gierke și colab. . Acesta constă dintr-o distribuție regulată a grupurilor de ioni sulfonat , descrise și ca micele inversate, cu un diametru de aproximativ 4 nm menținut într-o rețea fluorocarbonă continuu. Canalele de aproximativ 1 nm în diametru interconectează aceste clustere, ceea ce explică proprietățile de transport ionic ale acestor materiale.
Este dificil să se determine structura exactă a Nafionului datorită solubilității sale foarte variabile și structurii cristaline, în funcție de numeroasele sale derivații. Modele morfologice avansate au propus un model core-shell în care nucleul bogat în ioni înconjurat de o coajă săracă în ioni, un model de tijă în care grupările sulfonice se aranjează în tije cristaline și un model sandwich în care polimerii formează două straturi în care grupările sulfonice sunt situate de fiecare parte a unui strat apos în cadrul căruia au loc fenomenele de transport cationic . Toate aceste modele prezintă toate o rețea de clustere ionice, dar diferă în ceea ce privește geometria și distribuția acestor clustere. Deși niciunul dintre aceste modele nu se dovedește a fi pe deplin valid, unele echipe au arătat că hidratarea unei membrane Nafion schimbă acest material dintr-o morfologie a rețelei cluster într-o morfologie a tijei.
Un model cunoscut sub numele de canale de apă a fost propus ulterior din simulări prin împrăștiere cu raze X cu unghi mic și prin rezonanță magnetică nucleară în stare solidă (en) . În acest model, grupurile funcționale ale acidului sulfonic se autoorganizează în rețele de canale de apă hidrofile , fiecare cu diametrul de aproximativ 2,5 nm , prin care ionii mici pot fi transportați cu ușurință. Coloana vertebrală din polimer hidrofob este inserată între aceste canale hidrofile pentru a asigura stabilitatea mecanică observată.
Nafion este produs prin copolimerizare de tetrafluoretilenă (TFE) - monomer de politetrafluoretilenă (PTFE) - și un derivat perfluor (vinii alchil eter) , cu o fluorură de sulfonil -SO 2 F. Ultimul reactiv poate fi obținut prin piroliza din respectivele sale oxizi sau acizi carboyl care dau alchil structura.
Produsul obținut este un grup termoplastic care conține grupe –SO 2 Fcare este extrudat sub formă de filme. Hidroxid de sodiu fierbinte NaOH apos transformă aceste grupări fluorură de sulfonil sulfonat -SO 3- Na + . Această formă de Nafion, numită neutră sau salină , este în cele din urmă transformată într-o formă acidă care conține grupări de acid sulfonic –SO 3 H. Acesta poate fi modelat în filme subțiri prin încălzire într - o autoclavă , în soluție apoasă de etanol , la 250 ° C . Acest proces destul de costisitor face posibilă producerea Nafion pentru generarea de filme compozite, acoperirea electrozilor sau repararea membranelor deteriorate.
Combinarea coloanei vertebrale stabile din PTFE cu grupările de acid sulfonic conferă Nafion caracteristicile sale:
Proprietățile Nafion îl fac atractiv pentru o gamă largă de aplicații. Acest material este utilizat în celule de combustibil , echipamente electrochimice , proces clor-alcalin , recuperarea ionilor metalici, electroliza apei , placare ( galvanizare ), tratamente de suprafață ale metalelor, puterea bateriilor , senzori , sisteme de dializă la efectul Gibbs-Donnan , livrarea medicamentului , umidificarea sau uscarea gazelor și superacid de cataliză pentru substanțe chimice fine .
Clor Cl 2, hidroxidul de sodiu NaOH și hidroxidul de potasiu KOH sunt printre cele mai larg produse chimice din lume. În secolul XXI metodele de producție Cl 2și NaOH / KOH se bazează pe electroliza a saramurii folosind o membrană Nafion între o jumătate de celule. Înainte de Nafion, producătorii foloseau amalgame de sodiu care conțin mercur pentru a separa celulele elementare de sodiu sau diafragme de azbest pentru a permite transferul de cationi de sodiu între semicelule. Ambele tehnologii au fost dezvoltate în a doua jumătate a XIX - lea secol. Dezavantajul acestor sisteme este siguranța lucrătorilor și impactul asupra mediului asociat cu utilizarea mercurului și a azbestului. Considerentele economice au jucat, de asemenea, un rol, precum și contaminarea cu clor a hidroxizilor obținuți printr-o diafragmă. Nafion a fost rezultatul direct al cercetărilor din această industrie pentru a rezolva aceste probleme: poate rezista la temperaturi ridicate , curenți electrici mari , precum și la mediul coroziv al celulelor electrolitice.
Într-o celulă clor-alcalină, Nafion funcționează ca o membrană între semicelule. Membrana permite cationilor de sodiu Na + să treacă de la o jumătate de celulă la alta cu o rezistență electrică cât mai mică . Membrana poate fi întărită cu membrane suplimentare pentru a preveni amestecare a gazului și a reduce transferurile contracurent de Cl - clorură și OH - hidroxid de anioni .
Cele Celulele de combustibil sunt o tehnologie veche, care datează din anii 1960 , cum ar fi sursele de energie pentru sateliți artificiali . De la începutul secolului, acestea au făcut obiectul unor cercetări active. Acestea sunt motivate de provocările hidrogenului verde : hidrogenul H 2este produsă prin electroliza apei a cărei energie electrică este de origine regenerabilă , care eliberează oxigen O 2ca produs secundar , nu prin reformarea cu abur a gazelor naturale , care eliberează dioxid de carbon CO 2.
Nafion s-a dovedit a fi un material foarte bun pentru membranele de schimb de protoni ( PEM ), permițând transportul de protoni în timp ce blochează transportul de electroni , rezultând celule de combustibil PEM eficiente. Hidrogenul ajunge pe partea combustibilului eliberând electroni din anod și protoni din membrană, protoni care traversează membrana și se recombină cu electronii catodului pentru a da apă H 2 Ocu oxigen pe oxidantului parte . La electrozii utilizați în aceste dispozitive sunt electrozi de difuzie a gazului ( GDE ), de exemplu , realizat din PTFE .
Nafion este prin natura sa un superacid care poate fi utilizat ca un catalizator în sinteza organică , de exemplu , pentru reacții de alchilare , izomerizare , oligomerizare , acilarea , cetalizare , esterificare , hidroliză de carbohidrați și de eteri , precum și oxidări . Este posibil ca aplicațiile catalitice ale Nafion să nu fie încă pe deplin explorate. Cu toate acestea, toate aceste procese nu au găsit o aplicație industrială semnificativă.