Desenvolvimento de membranas aniônicas obtidas por enxertia via irradiação para aplicação em células a combustível alcalinas

• Main Author: Clotilde Coppini Pereira
• Other Authors: Elisabete Inácio Santiago
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2017
• Subjects: AEMFC; células a combustível alcalinas; células a combustível de troca aniônica; membranas aniônicas; membranas de troca aniônica; alkaline fuel cells; anion exchange membrane; anion exchange membrane fuel cell; anionic membranes
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85134/tde-12062017-093623/

As membranas de troca aniônica são uma alternativa promissora para o desenvolvimento de eletrólitos mais eficientes para células a combustível alcalinas. Em geral, as membranas de troca aniônica são ionômeros capazes de conduzir íons hidroxila devido aos grupos quaternário de amônio e têm como característica elevado pH equivalente. Com o objetivo de desenvolver membranas aniônicas química e termicamente estáveis, com satisfatória condutividade iônica para aplicação em células a combustível alcalinas, as membranas aniônicas foram sintetizadas a partir de polímeros base de polietileno de baixa densidade (LDPE), polietileno de ultra alto peso molecular (PEUHMW), poli(etileno-co-tetrafluoroetileno) (PETFE) e poli(tetrafluoroetilleno-co-hexafluoroetileno) (PFEP) previamente irradiados nas fontes de radiação gama de 60Co ou com feixe de elétrons, para enxertia do monômero de estireno e funcionalizados com trimetilamina para incorporação dos grupos quaternário de amônio. As membranas resultantes foram caracterizadas por espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR), espectroscopia Raman, termogravimetria (TG), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), além da determinação do grau de enxertia, capacidade de absorção de água por gravimetria e capacidade de troca iônica, por titulação. As membranas sintetizadas com os polímeros LDPE e UHMWPE pré-irradiados a 70 kGy com feixe de elétrons e armazenadas a baixa temperatura (-70 °C) por até 10 meses, mostraram resultados de condutividade iônica, quando na forma (OH-), de 29 mS.cm-1 e 14 mS.cm-1 a 65 °C, respectivamente. Os filmes de PFEP irradiados no processo simultâneo mostram níveis de enxertia insuficientes para a síntese de membranas aniônicas, necessitando maiores estudos para aperfeiçoar os processos de irradiação e enxertia. As membranas baseadas em PETFE, pré-irradiadas a 70 kGy com feixe de elétrons e armazenadas a baixa temperatura (-70 °C) por até 10 meses, mostraram maior condutividade iônica, quando na forma hidroxila (OH-), com valores de condutividade iônica entre 90 mS.cm-1 e 165 mS.cm-1 na faixa de temperatura entre 30 e 60 °C. Estes resultados mostraram que membranas de LDPE, UHMWPE e PETFE são eletrólitos promissores para a aplicação em células a combustível alcalinas. === Anion Exchange Membranes (AEMs) are a promising alternative to the development of more efficient electrolytes for alkaline fuel cells. In general, the AEMs are ionomeric membranes able to conduct hydroxide ions (OH-) due to the quatermary ammonium groups, which confer high pH equivalent to the AEM. In order to develop alkaline membranes with high chemical and thermal stability, besides satisfactory ionic conductivity for alkaline fuel cells, membranes based on low density polyethylene (LDPE), ultrahigh weight molecular weight polyethylene (UHWHPE), poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (PETFE) and poly(hexafluoropropylene-co-tetrafluoroethylene) (PFEP) previously irradiated by using 60Co gamma and electron beam sources, have been synthesized by styrene-grafting, and functionalized with trimethylamine to introduced quaternary ammonium groups. The resulting membranes were characterized by electron paramagnetic resonance (EPR), Raman spectroscopy, thermogravimetry (TG) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The determination of the grafting degree and water uptake were conducted by gravimetry and ion exchange capacity, by titration. The membranes synthesized with PELD and PEUHMW polymers pre-irradiated at 70 kGy and stored at low temperature (-70 °C), up to 10 months, showed ionic conductivity results, in hydroxide form (OH-), of 29 mS.cm-1 and 14 mS.cm-1 at 65 °C, respectively. The PFEP polymers irradiated by the simultaneous process showed insufficient grating levels for the membrane synthesis, requiring more studies to improve the irradiation and grafting process. The styrene-grafted PETFE membranes, pre-irradiated at 70 kGy and stored at low temperature (-70 °C), up to 10 months, showed ionic conductivity results, in hydroxide form (OH-), of 90 mS.cm-1 to 165 mS.cm-1, in the temperature range 30 to 60 °C. Such results have demonstrated that LDPE, UHMWPE and PETFE based AEMs are promising electrolytes for alkaline fuel cell application.