Novo próton

Pesquisadores sintetizaram membranas condutoras de prótons baseadas em ionômeros aromáticos parcialmente fluorados que apresentam alta durabilidade e condutividade iônica

Universidade Waseda

imagem: A membrana composta proposta atende à meta técnica altamente desafiadora do Departamento de Energia dos EUA para uso em células de combustível automotivas até 2025, abrindo caminho para veículos elétricos potentes e acessíveis.Veja mais

Crédito: Kenji Miyatake da Universidade Waseda e da Universidade de Yamanashi

As células de combustível são unidades compactas de conversão de energia que utilizam fontes de energia limpa como o hidrogênio e as convertem em eletricidade por meio de uma série de reações de oxidação-redução. Especificamente, as células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs), parte integrante dos veículos elétricos, utilizam membranas condutoras de prótons para operação. Infelizmente, estas membranas sofrem de um compromisso entre alta durabilidade e alta condutividade iônica, afetando a vida útil e o desempenho dos PEMFCs.

Para superar esse problema, os cientistas sintetizaram membranas poliméricas de ácido perfluorossulfônico modificadas química e fisicamente, como Nafion HP, Nafion XL e Gore-Select, que provaram ser muito mais duráveis ​​do que as membranas não modificadas convencionalmente empregadas em operações de células de combustível. Infelizmente, nenhuma das membranas condutoras de prótons existentes cumpriu a meta técnica altamente desafiadora - passar por um teste de durabilidade acelerado ou por um teste químico e mecânico combinado - estabelecido pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE) para facilitar seu uso em células de combustível de automóveis por meio de 2025.

Neste contexto, um grupo de pesquisadores do Japão, liderado pelo professor Kenji Miyatake da Universidade Waseda e da Universidade de Yamanashi, sintetizou recentemente novas membranas condutoras de prótons para PEMFCs. Seu trabalho, publicado na revista Science Advances, é de coautoria do Dr. Liu Fanghua da Universidade Waseda e da Universidade de Yamanashi e do Dr.

Os pesquisadores sintetizaram membranas condutoras de prótons usando um ionômero aromático parcialmente fluorado (material polimérico que consiste em resinas termoplásticas estabilizadas por ligações cruzadas iônicas) chamado SPP – TFP-4.0 (SPP: polifenileno sulfonado, TFP: bis (trifluorometil) terfenileno). Eles então utilizaram o método push-coating para reforçar o ionômero com nanofibras de poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) eletrofiadas, não tecidas e isotrópicas com alta porosidade (78%) ou usando politetrafluoroetileno expandido poroso (ePTFE). Isso resultou em membranas compostas, SPP-TFP-4.0-PVDF e SPP-TFP-4.0-ePTFE, com espessuras de 14 e 16 µm, respectivamente.

Os pesquisadores realizaram uma ampla variedade de testes nessas membranas condutoras de prótons e demonstraram que aquela reforçada com PVDF era superior. “Ela superou a membrana Nafion XL perfluorada de última geração, quimicamente estabilizada e fisicamente reforçada, em termos de operação de célula de combustível e estabilidade química in situ a uma alta temperatura de 120oC e uma baixa umidade relativa de 30%”, destaca Miyatake. .

A membrana SPP-TFP-4.0-PVDF demonstrou uma longa vida útil de 148.870 ciclos ou 703 horas - mais de sete vezes mais do que a meta DOE - no teste de durabilidade acelerado com ciclos úmidos e secos frequentes sob condições de tensão de circuito aberto. Além disso, exibiu alta estabilidade química com pouca degradação, energia de ruptura estável em vários níveis de umidade, propriedades mecânicas altamente estáveis ​​de zero a 60% de umidade relativa a 80oC e excelente desempenho de célula de combustível em altas temperaturas (100-120oC).

Com efeito, a membrana condutora de prótons reforçada à base de polímero aromático proposta atende à meta do DOE dos EUA para futuras células de combustível de automóveis, fornecendo uma alternativa lucrativa. Assim, este estudo pode abrir caminho para PEMFCs com operabilidade e durabilidade em altas temperaturas. “Como resultado, os veículos elétricos baseados em células de combustível podem tornar-se mais potentes e acessíveis. Isto também contribuiria para a concretização de uma sociedade baseada no hidrogénio e livre de carbono”, conclui Miyatake, otimista.