Nafion

Nafion

Identificadores
Número CAS	31175-20-9 Y
ChemSpider	ninguno
PubChem CID	61889  monómero
Tablero CompTox ( EPA )	DTXSID30882013
Propiedades
Fórmula química	C 7 HF 13 O 5 S. C 2 F 4
Masa molar	Ver articulo
Peligros
Pictogramas GHS
Palabra de señal GHS	Advertencia
Declaraciones de peligro GHS	H319 , H335
Consejos de prudencia del SGA	P261 , P264 , P271 , P280 , P304 + 340 , P305 + 351 + 338 , P312 , P337 + 313 , P403 + 233 , P405 , P501
Compuestos relacionados
Compuestos relacionados	Aciplex Flemion Dowew fumapem F
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referencias de Infobox

Compuesto químico

Nafion es un nombre de marca para una sulfonado tetrafluoroetileno basado fluoropolímero - copolímero descubrió a finales de 1960 por Walther Grot de DuPont . ^[1] Nafion es una marca de la empresa Chemours. Es el primero de una clase de polímeros sintéticos con propiedades iónicas que se denominan ionómeros . Las propiedades iónicas únicas de Nafion son el resultado de la incorporación de grupos de éter perfluorovinílico terminados con grupos sulfonato en un esqueleto de tetrafluoroetileno ( PTFE ). ^{[2] [3] [4]} Nafion ha recibido una atención considerable como conductor de protones paraCeldas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) debido a su excelente estabilidad térmica y mecánica.

La base química de las propiedades conductoras superiores de Nafion sigue siendo un foco de investigación exhaustiva. ^{[2] La} conductividad iónica de Nafion aumenta con el nivel de hidratación. La exposición de Nafion al ambiente humidificado o al agua líquida aumenta la cantidad de moléculas de agua asociadas con cada grupo de ácido sulfónico. La naturaleza hidrófila de los grupos iónicos atrae moléculas de agua, que tienden a solvatar los grupos iónicos y disociar los protones del grupo SO ₃ H ( ácido sulfónico ). Los protones disociados "saltan" de un sitio ácido a otro a través de mecanismos facilitados por las moléculas de agua y los enlaces de hidrógeno. ^[2]Tras la hidratación, Nafion se separa en fases a escalas de longitud nanométrica, lo que da como resultado la formación de una red interconectada de dominios hidrófilos que permiten el movimiento de agua y cationes , pero las membranas no conducen aniones ni electrones . Nafion se puede fabricar en varias formas catiónicas para lograr una gama de conductividades catiónicas.

Nomenclatura y peso molecular

Nafion se puede producir tanto como resina en polvo como como copolímero . Tiene varias configuraciones químicas y, por lo tanto, varios nombres químicos en el sistema IUPAC . Nafion-H, por ejemplo, incluye los siguientes nombres sistemáticos:

• De Chemical Abstracts : fluoruro de etanosulfonilo, 2- [1- [difluoro - [(trifluoroetenil) oxi] metil] -1,2,2,2-tetrafluoroetoxi] -1,1,2,2, -tetrafluoro-, con tetrafluoroetileno
• copolímero de ácido tetrafluoroetileno-perfluoro-3,6-dioxa-4-metil-7-octenosulfónico

El peso molecular de Nafion es incierto debido a las diferencias en el procesamiento y la morfología de la solución. ^{[3] [4]} La estructura de una unidad Nafion, que se muestra en la parte superior de la página, ilustra la variabilidad del material; por ejemplo, el monómero más básico contiene una variación de cadena entre los grupos éter (el subíndice z). Los métodos convencionales para determinar el peso molecular, como la cromatografía de dispersión de luz y de permeación en gel, no son aplicables porque el Nafion es insoluble, aunque el peso molecular se ha estimado en 10 ⁵ –10 ⁶ Da. ^{[3] [4]} En cambio, el peso equivalente (EW) y el espesor del material se utilizan para describir la mayoría de las membranas disponibles comercialmente. El EW es el número de gramos de Nafion seco por mol de grupos de ácido sulfónico cuando el material está en forma ácida. ^[4] Por ejemplo, Nafion 117 indica un material con 1100 g EW y 0.007 pulgadas de espesor. En contraste con el peso equivalente, las resinas de intercambio iónico convencionales se describen generalmente en términos de su capacidad de intercambio iónico (IEC), que es el inverso o recíproco multiplicativo del peso equivalente, es decir, IEC = 1000 / EW.

Preparación

Los derivados de Nafion se sintetizan en primer lugar mediante la copolimerización de tetrafluoroetileno (TFE) (el monómero en teflón) y un derivado de un perfluoro (alquilviniléter) con fluoruro de ácido sulfonílico. El último reactivo se puede preparar mediante la pirólisis de su respectivo óxido o ácido carboxílico para dar la estructura olefina. ^[5]

El producto resultante es un termoplástico que contiene -SO ₂ F que se extruye en películas. El NaOH acuoso caliente convierte estos grupos de fluoruro de sulfonilo (-SO ₂ F) en grupos sulfonato (-SO ₃ ^- Na ⁺ ). Esta forma de Nafion, denominada forma neutra o salina, finalmente se convierte en la forma ácida que contiene los grupos ácido sulfónico (-SO ₃ H). Nafion se puede moldear en películas delgadas calentando en alcohol acuoso a 250 ° C en un autoclave . Mediante este proceso, Nafion se puede utilizar para generar películas compuestas, recubrir electrodos o reparar membranas dañadas. ^[3]

Este proceso de producción es bastante caro. ^{[6] [7]}

Propiedades

La combinación de la estructura estable de PTFE con los grupos sulfónicos ácidos le da a Nafion sus características: ^[8]

• Es altamente conductivo para los cationes, lo que lo hace adecuado para muchas aplicaciones de membranas.
• Resiste el ataque químico. Según Chemours , solo los metales alcalinos (particularmente el sodio) pueden degradar el Nafion a temperaturas y presiones normales.
• El esqueleto de PTFE entrelazado con los grupos sulfonato iónicos le da a Nafion una temperatura de operación alta , por ejemplo, hasta 190 ° C, sin embargo, en forma de membrana, esto no es posible debido a la pérdida de agua y resistencia mecánica.
• Es un catalizador superácido . La combinación de esqueleto fluorado, grupos de ácido sulfónico y el efecto estabilizador de la matriz polimérica hacen del Nafion un ácido muy fuerte, con pK _a ~ -6. ^[9] A este respecto, Nafion se parece al ácido trifluorometanosulfónico , CF ₃ SO ₃ H, aunque Nafion es un ácido más débil en al menos tres órdenes de magnitud.
• Es selectiva y altamente permeable al agua.
• Su conductividad de protones hasta 0.2 S / cm dependiendo de la temperatura, estado de hidratación, historial térmico y condiciones de procesamiento ^{[10] [2]}
• La fase sólida y la fase acuosa de Nafion son permeables a los gases, ^{[11] [12] lo} cual es un inconveniente para los dispositivos de conversión de energía como hojas artificiales, pilas de combustible y electrolizadores de agua.

Estructura / morfología

La morfología de las membranas de Nafion es materia de estudio continuo para permitir un mayor control de sus propiedades. Otras propiedades como el manejo del agua, la estabilidad de la hidratación a altas temperaturas, el arrastre electro-osmótico , así como la estabilidad mecánica, térmica y oxidativa, se ven afectadas por la estructura de Nafion. Se han propuesto varios modelos para la morfología de Nafion para explicar sus propiedades de transporte únicas. ^[2]

Modelo de red de clústeres

El primer modelo de Nafion, llamado modelo de canal de grupo o de red de grupo , consistió en una distribución igual de grupos de iones sulfonato (también descritos como ' micelas invertidas ' ^[4] ) con un diámetro de 40 Å (4 nm ) dentro de un celosía continua de fluorocarbono. Los canales estrechos de aproximadamente 10 Å (1 nm) de diámetro interconectan los grupos, lo que explica las propiedades de transporte. ^{[3] [4] [13]}

La dificultad para determinar la estructura exacta de Nafion proviene de la solubilidad inconsistente y la estructura cristalina entre sus diversos derivados. Los modelos morfológicos avanzados han incluido un modelo de núcleo-capa donde el núcleo rico en iones está rodeado por una capa pobre en iones, un modelo de barra donde los grupos sulfónicos se organizan en barras cristalinas y un modelo sándwich donde el polímero forma dos capas cuya capa sulfónica los grupos se atraen a través de una capa acuosa donde se produce el transporte. ^[4] La coherencia entre los modelos incluye una red de agrupaciones iónicas; los modelos difieren en la geometría y distribución de los conglomerados. Aunque todavía no se ha determinado ningún modelo completamente correcto, algunos científicos han demostrado que a medida que la membrana se hidrata, la morfología de Nafion se transforma del modelo Cluster-Channel a un modelo similar a una varilla. ^[4]

Se propuso un modelo de canal de agua más reciente ^[14] basado en simulaciones de datos de dispersión de rayos X de ángulo pequeño y estudios de resonancia magnética nuclear en estado sólido. En este modelo, los grupos funcionales del ácido sulfónico se autoorganizan en matrices de canales de agua hidrófilos, cada uno de ~ 2,5 nm de diámetro, a través de los cuales se pueden transportar fácilmente iones pequeños. Intercalados entre los canales hidrófilos hay cadenas principales de polímero hidrófobo que proporcionan la estabilidad mecánica observada.

Aplicaciones

Las propiedades de Nafion lo hacen adecuado para una amplia gama de aplicaciones. Nafion ha encontrado uso en celdas de combustible , dispositivos electroquímicos, producción de cloro-álcali, recuperación de iones metálicos, electrólisis de agua , enchapado , tratamiento de superficies de metales, baterías, sensores , celdas de diálisis Donnan , liberación de fármacos, secado o humidificación de gases y catálisis de superácidos. para la producción de química fina. ^{[3] [4] [8] [15]} Nafion también se cita a menudo por su potencial teórico (es decir, no probado hasta ahora) en varios campos. Teniendo en cuenta la amplia funcionalidad de Nafion, solo se discutirán a continuación las más importantes.

Membrana celular de producción de cloro-álcali

Una celda de cloro-álcali

El cloro y el hidróxido de sodio / potasio se encuentran entre los productos químicos básicos más producidos en el mundo. Los métodos de producción modernos producen Cl ₂ y NaOH / KOH a partir de la electrólisis de salmuera utilizando una membrana de Nafion entre las medias celdas. Antes del uso de Nafion, las industrias usaban mercurio que contenía amalgama de sodio para separar el sodio metálico de las células o el amianto.diafragmas para permitir la transferencia de iones de sodio entre medias celdas; ambas tecnologías se desarrollaron en la segunda mitad del siglo XIX. Las desventajas de estos sistemas son la seguridad de los trabajadores y las preocupaciones ambientales asociadas con el mercurio y el asbesto, los factores económicos también jugaron un papel y en el proceso de diafragma la contaminación por cloruro del producto de hidróxido. Nafion fue el resultado directo de la industria cloroalcalina que abordó estas preocupaciones; Nafion podría tolerar las altas temperaturas, las altas corrientes eléctricas y el entorno corrosivo de las celdas electrolíticas. ^{[3] [4] [8]}

La figura de la derecha muestra una celda de cloro-álcali donde Nafion funciona como una membrana entre las medias celdas. La membrana permite que los iones de sodio se transfieran de una celda a otra con una mínima resistencia eléctrica. La membrana también se reforzó con membranas adicionales para evitar la mezcla del producto gaseoso y minimizar la retrotransferencia de iones Cl ^- y ^- OH. ^[3]

Membrana de intercambio de protones (PEM) para pilas de combustible

Aunque las pilas de combustible se han utilizado desde la década de 1960 como fuentes de alimentación para satélites, recientemente han recibido una atención renovada por su potencial para producir energía limpia a partir de hidrógeno de manera eficiente. Se descubrió que el Nafion es eficaz como membrana para las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) al permitir el transporte de iones de hidrógeno y evitar la conducción de electrones. Los electrolitos de polímero sólido, que se fabrican conectando o depositando electrodos (generalmente metales nobles) a ambos lados de la membrana, conducen los electrones a través de un proceso que requiere energía y se unen a los iones de hidrógeno para reaccionar con el oxígeno y producir agua. ^[3] Se espera que las pilas de combustible encuentren un uso intensivo en la industria del transporte.

Catalizador superácido para la producción de productos químicos finos

Nafion, como superácido , tiene potencial como catalizador para la síntesis orgánica . Los estudios han demostrado propiedades catalíticas en alquilación , isomerización , oligomerización , acilación , cetalización , esterificación , hidrólisis de azúcares y éteres y oxidación . Constantemente se descubren nuevas aplicaciones. ^[15] Sin embargo, estos procesos aún no han encontrado un uso comercial fuerte. A continuación se muestran varios ejemplos:

La alquilación con haluros de alquilo
Nafion-H proporciona una conversión eficiente, mientras que el método alternativo, que emplea la síntesis de Friedel-Crafts , puede promover la polialquilación: ^[16]

Acilación
La cantidad de Nafion-H necesaria para catalizar la acilación del benceno con cloruro de aroílo es un 10-30% menor que el catalizador Friedel-Crafts: ^[16]

La catálisis de los grupos de protección
Nafion-H aumenta las velocidades de reacción de protección mediante dihidropirano o o-trialquilsilación de alcoholes, fenol y ácidos carboxílicos. ^[15]

La isomerización de
Nafion puede catalizar un cambio de hidruro 1,2 . ^[15]

Es posible inmovilizar enzimas dentro del Nafion agrandando los poros con sales lipofílicas . Nafion mantiene una estructura y un pH para proporcionar un entorno estable para las enzimas. Las aplicaciones incluyen la oxidación catalítica de dinucleótidos de adenina . ^[15]

Sensores

Nafion ha encontrado uso en la producción de sensores , con aplicación en biosensores selectivos de iones, metalizados, ópticos y . Lo que hace que Nafion sea especialmente interesante es su demostración de biocompatibilidad . Se ha demostrado que Nafion es estable en cultivos celulares y en el cuerpo humano, y hay una investigación considerable hacia la producción de sensores de glucosa de mayor sensibilidad . ^[3]

Superficies antimicrobianas

La superficie de Nafion muestra una zona de exclusión contra la colonización de bacterias. ^[17] Además, los recubrimientos capa por capa que comprenden Nafion muestran excelentes propiedades antimicrobianas. ^[18]

Deshumidificación en naves espaciales

La nave espacial SpaceX Dragon 2 con clasificación humana utiliza membranas Nafion para deshumidificar el aire de la cabina. Un lado de la membrana está expuesto a la atmósfera de la cabina y el otro al vacío del espacio. Esto da como resultado la deshumidificación ya que Nafion es permeable a las moléculas de agua pero no al aire. Esto ahorra energía y complejidad ya que no se requiere enfriamiento (según sea necesario con un deshumidificador de condensación), y el agua extraída se rechaza al espacio sin necesidad de ningún mecanismo adicional. ^[19]

Nafion modificado para pilas de combustible PEM

El Nafion normal se deshidratará (por lo tanto, perderá la conductividad del protón) cuando la temperatura esté por encima de ~ 80 ° C. Esta limitación dificulta el diseño de las pilas de combustible porque son deseables temperaturas más altas para una mejor eficiencia y tolerancia al CO del catalizador de platino. La sílice y el fosfato de circonio se pueden incorporar en los canales de agua de Nafion a través de reacciones químicas in situ para aumentar la temperatura de trabajo por encima de los 100 ° C.

Referencias

1. Church, Steven (6 de enero de 2006). "Del. Firma instala pila de combustible". El diario de noticias . pag. B7.
2. Kusoglu, Ahmet; Weber, Adam Z. (8 de febrero de 2017). "Nuevos conocimientos sobre ionómeros de ácido sulfónico perfluorado" . Revisiones químicas . 117 (3): 987-1104. doi : 10.1021 / acs.chemrev.6b00159 . ISSN 0009-2665 . 
3. Heitner-Wirguin, C. (1996). "Avances recientes en membranas de ionómero perfluorado: estructura, propiedades y aplicaciones". Revista de ciencia de membranas . 120 : 1-33. doi : 10.1016 / 0376-7388 (96) 00155-X .
4. Mauritz, Kenneth A .; Moore, Robert B. (2004). "Estado de entendimiento de Nafion". Revisiones químicas . 104 (10): 4535–4586. doi : 10.1021 / cr0207123 . PMID 15669162 . 
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6. Hickner, Michael A .; Ghassemi, Hossein; Kim, Yu Seung; Einsla, Brian R .; McGrath, James E. (2004). "Sistemas alternativos de polímeros para membranas de intercambio de protones (PEM)". Revisiones químicas . 104 (10): 4587–4612. doi : 10.1021 / cr020711a . ISSN 0009-2665 . PMID 15669163 .  
7. Pollas, AL (2012). "Pilas de combustible PEM". Energías Renovables Integrales . págs. 203–245. doi : 10.1016 / B978-0-08-087872-0.00406-6 . ISBN 9780080878737.
8. Perma Pure LLC (2004). "Nafion: propiedades físicas y químicas" . Notas técnicas y artículos . Archivado desde el original el 28 de septiembre de 2013.
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19. Jason Silverman; Andrew Irby; Theodore Agerton (2020). Desarrollo del Crew Dragon ECLSS (PDF) . Congreso Internacional de Sistemas Ambientales.

Enlaces externos

• ¿Qué membrana de Nafion es adecuada para una generación de electrolizador / hidrógeno?
• Página de inicio de Walther G. Grot
• Walther G. Grot: "Ionómeros fluorados"
• Efectos isotópicos sobre la conductividad de Nafion
• Espesor de la membrana en conductivity_of_Nafion
• Hidratación Nafion
• Nafion Totally Explained at the Wayback Machine (archivado el 22 de septiembre de 2007)