Polímeros de injerto con aplicaciones como membranas de intercambio aniónico

Autores: M. Montiel, P. Ocón. Universidad Autónoma de Madrid

Anteriormente, en el blog de Energía y Sostenibilidad, se ha hablado de membranas de intercambio con aplicaciones energéticas, haciendo énfasis en aquellas capaces de intercambiar aniones y en su uso en pilas de combustible alcalinas. Si bien existen varios ejemplos comerciales que se pueden emplear en este tipo de dispositivos, todavía no se han conseguido desarrollar membranas que cumplan de manera satisfactoria los requisitos de las pila de combustible en medio alcalino [1-3].

En los últimos años, se ha observado un creciente número de investigadores que se han sumado al reto de vencer los principales inconvenientes de este tipo de membranas: conductividad iónica insuficiente, estabilidad mecánica y química bajas, envenenamiento por CO2… Uno de los métodos que se emplea en la actualidad para la preparación de este tipo de membranas consiste en la activación de los materiales por métodos físicos para facilitar las reacciones químicas [4]. Este método, generalmente, se realiza en dos etapas (ver Figura 1):

  • En la primera se crean sitios activos sobre un polímero base de propiedades químicas y mecánicas adecuadas para nuestro propósito. Para ello, el polímero es irradiado con fuentes de alta energía, como pueden ser rayos X, rayos γ, electrones, plasma, partículas β… para así inducir la ionización de la matriz polimérica.
  • En la segunda etapa se lleva a cabo la modificación química del polímero, mediante reacción con las especies de interés, lo que permite modular aspectos como la naturaleza iónica del polímero, la absorción de agua, la conductividad…

Figura 1. Etapas de la preparación de polímeros de injerto mediante radiación.

Uno de los principales atractivos de este método recae en su versatilidad: existen numerosos tipos de polímeros que podemos emplear como base para realizar las ramificaciones con otro gran número de especies (que pueden ser de naturaleza polimérica o no). Esto nos permite conseguir un número de polímeros virtualmente ilimitado y con propiedades químicas y mecánicas moduladas para conseguir las propiedades que más nos convengan. Además, se consiguen sitios de reacción uniformemente distribuidos por todo el polímero debido, entre otras cosas, al poder de penetración de la radiación. Esto permite obtener membranas con gran uniformidad.

En la revisión bibliográfica publicada recientemente por Zhou y colaboradores [4] se describen distintos procesos de síntesis de membranas poliméricas empleando este tipo de métodos. Para ver el amplio abanico de posibilidades aquí se muestra la Tabla 1, donde se indican distintos polímero de partida (el esqueleto), el polímero injertado, y el grupo catiónico que permite la movilidad de aniones a través de la membrana (ver Figura 2). Las combinaciones de estos tres elementos permiten obtener gran número de membranas de intercambio aniónico potencialmente aptas para su uso en pilas de combustible de alcohol directo. Los principales requisitos que deben cumplir son:

  • Que las membranas estén formadas por canales que sean capaces de transferir iones OH- desde el cátodo hacia el ánodo de una manera eficiente (alta conductividad iónica) y que, al mismo tiempo, sean capaces de minimizar el paso de oxidante y combustible.
  • Que presenten una estabilidad química adecuada en las condiciones de operación de los dispositivos (humedad, temperatura, presión, basicidad…).

Figura 2. Esquema de un polímero de injerto con grupos catiónicos que permiten la movilidad de iones OH-.


Tabla 1.

Bibliografía

1.         Montiel, M. and P. Ocón. Membranas de intercambio con aplicaciones energéticas.  03/09/2015; Available from: http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2015/05/22/132491.

2.         Escudero-Cid, R. and P. Ocón. Membranas de intercambio aniónico para aplicaciones en pilas de combustible.  03/09/2015; Available from: http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2015/07/02/132553.

3.         Herranz, D. and P. Ocón. Membranas de intercambio aniónico comerciales y su aplicación en pila de combustible alcalina03/09/2015; Available from: http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2015/08/12/132580.

4.         Zhou, T., et al., A review of radiation-grafted polymer electrolyte membranes for alkaline polymer electrolyte membrane fuel cells. Journal of Power Sources, 2015. 293: p. 946-975.

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