Líquidos iónicos y su aplicación en pilas de combustible
Autores: D. Herranz, P. Ocón. Universidad Autónoma de Madrid
Los líquidos iónicos (IL, por sus siglas en inglés de “Ionic Liquids”) son unos compuestos químicos cuyas características básicas podrían ser resumidas en los siguientes puntos: están compuestos solamente por cationes y aniones, no contienen ningún disolvente molecular y por acuerdo solo se consideran como tales aquellas sales que sean estables en fase líquida a temperaturas inferiores a los 100ºC. El término solía aplicarse también al resto de sales fundidas aunque estuvieran a temperaturas superiores ya que hasta 1992 eran los únicos compuestos conocidos que estaban formados solo por aniones y cationes. 1 El descubrimiento en 1992 de compuestos estables que cumplían los anteriores puntos se debe a Wilkes, Zaworotko, Cooper y O’Sullivan, y a partir de entonces su estudio y posibles aplicaciones han ido creciendo de forma exponencial a la vez que se han ido descubriendo muchos más compuestos de este tipo. Estos pueden ser divididos en siete grandes familias según la estructura catiónica que posean, que puede ser derivada de: tetraalquilamonio, 1,2,3-Trialquilimidazol, alquilpiridinio, dialquilpirrolidina, dialquilpiperidinio, tetraalquilfosfonio o trialquilsulfonio.
Algunas de sus propiedades generales más destacables son su alta conductividad eléctrica, muy baja presión de vapor (y por tanto una volatilidad casi nula), amplio rango de temperatura en el que permanecen estables en fase líquida, alta estabilidad química y su facilidad para conseguir distintas propiedades físico-químicas dependiendo de cómo se sinteticen y qué iones se mezclen.
El hecho de que tengan una presión de vapor tan baja y un marcado carácter iónico y polar, unido a que muchos también son no inflamables hace de estos compuestos unos disolventes o solutos ideales para determinadas condiciones como pueden algunas reacciones orgánicas de síntesis de ciclos de carbono o reacciones aldólicas o la disolución de celulosa y biopolímeros. También se está estudiando su uso para preparación de fluidos magnetoreológicos (los cuales pueden ser controlados por campos magnéticos) y para la mejora de lubricantes y/o su creación únicamente a partir de líquidos iónicos.
Los líquidos iónicos presentan también grandes oportunidades formando materiales híbridos con otros compuestos; un ejemplo es la gelificación de los líquidos iónicos usando polímeros, nanopartículas o nanotubos de carbono o su inserción en otros materiales para dotarlos por ejemplo de mayor conductividad. Aprovechando su alta conductividad y el hecho de estar en fase líquida también los hace muy buenos candidatos para ser usados como electrolitos en reacciones electroquímicas o medios de reacción para la síntesis de otros materiales como la electrodeposición de materiales metálicos o semiconductores o la síntesis de nanopartículas metálicas.
En el campo de las pilas de combustible los líquidos iónicos están siendo usados para poder obtener una alta conductividad iónica a través del electrolito polimérico (la membrana) a altas temperaturas (>100ºC) donde la humedad relativa es muy baja y las membranas comúnmente usadas a menores temperaturas, como la de Nafion, pierden mucha conductividad. Para conseguir esto el líquido iónico tiene que pasar a formar parte de la membrana y quedar retenido en ésta. Algún ejemplo de cómo hacerlo es la preparación de membranas híbridas de líquidos iónicos con Nafion2 o la polimerización de microemulsiones de líquidos iónicos proticos,3 en este último caso se usan las microemulsiones ya que la compatibilidad entre el líquido iónico (en estado natural, no en microemulsiones) con la matriz polimérica no sería buena. Esta compatibilidad es un parámetro importante a considerar que en este caso pudo superarse a través de este método de las microemulsiones. Otra posibilidad interesante es formar un líquido iónico como fase transitoria para, aprovechando sus propiedades de solubilidad, introducir un reactivo en una mezcla en la que originalmente no sería soluble, hacerlo reaccionar en el estado de líquido iónico y posteriormente devolverlo a su estado original pero ya formando parte del producto final como puede ser un electrolito polimérico.4
Estas investigaciones demuestran el potencial de los líquidos iónicos para futuras aplicaciones tanto en otros campos como en el de las pilas de combustible en concreto y justifican el actual interés en estos materiales.
Bibliografía
1. Torimoto, T., Tsuda, T., Okazaki, K. I. & Kuwabata, S. New frontiers in materials science opened by ionic liquids. Adv. Mater. 22, 1196–1221 (2010).
2. Subianto, S., Mistry, M. K., Choudhury, N. R., Dutta, N. K. & Knott, R. Composite polymer electrolyte containing ionic liquid and functionalized polyhedral oligomeric silsesquioxanes for anhydrous PEM applications. ACS Appl. Mater. Interfaces 1, 1173–1182 (2009).
3. Yan, F. et al. Enhanced proton conduction in polymer electrolyte membranes as synthesized by polymerization of protic ionic liquid-based microemulsions. Chem. Mater. 21, 1480–1484 (2009).
4. Diao, H. et al. High performance cross-linked poly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid)-based proton exchange membranes for fuel cells. Macromolecules 43, 6398–6405 (2010).
