Nafion | |
Monomerenheder fra Nafion. | |
Identifikation | |
---|---|
IUPAC navn | 1,1,2,2-tetrafluorethen; 1,1,2,2-tetrafluor-2- [1,1,1,2,3,3-hexafluor-3- (1,2,2-trifluorethenoxy) propansyre -2-yl] oxyethansulfonsyre |
N o CAS | |
PubChem | 61889 |
ChEBI | 53682 |
SMILE |
C (= C (F) F) (OC (C (C (F) (F) F) (OC (C (F) (F) S (= O) (= O) O) (F) F) F ) (F) F) FC (= C (F) F) (F) F , |
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / C7HF13O5S.C2F4 / c8-1 (9) 2 (10) 24-5 (15.16) 3 (11.4 (12.13) 14) 25-6 (17.18) 7 (19.20) 26 (21.22) 23; 3-1 (4) 2 (5) 6 / h (H, 21.22,23); Std. InChIKey: FOYUGSIADQEOEK-UHFFFAOYSA-N |
Kemiske egenskaber | |
Brute formel | for C 2 F 4 –C 7 HF 13 O 5 S |
Molar masse | 544,139 ± 0,014 g / mol C 19,87%, H 0,19%, F 59,35%, O 14,7%, S 5,89%, |
Forholdsregler | |
SGH | |
Advarsel H315, H319, H335, P280, P312, P302 + P352, P304 + P340, P332 + P313, P337 + P313, H315 : Forårsager hudirritation H319 : Forårsager alvorlig øjenirritation H335 : Kan irritere luftvejene P280 : Bær beskyttelseshandsker / beskyttelsestøj / øjenbeskyttelse / ansigtsbeskyttelse. P312 : Ring til et GIFTINFORMATION eller en læge, hvis du føler dig utilpas. P302 + P352 : I tilfælde af hudkontakt: vask med rigeligt sæbe og vand. P304 + P340 : Efter indånding: Flyt offeret ud i frisk luft og hold det i ro i en behagelig vejrtrækningsposition. P332 + P313 : Hvis der opstår hudirritation: Søg lægehjælp. P337 + P313 : Hvis øjenirritation vedvarer: Søg lægehjælp . |
|
NFPA 704 | |
1 2 1 | |
Enheder af SI og STP, medmindre andet er angivet. | |
Den Nafion er navnet mærke på en fluorpolymer copolymer baseret på tetrafluorethylen sulfoneres opdaget i slutningen af 1960'erne af Walther Grot på DuPont . Det er den første repræsentant for ionomerer , en klasse af syntetiske polymerer, hvor en lille, men signifikant del af monomerenhederne indeholder ioniske eller ioniserbare grupper . De særlige ioniske egenskaber ved Nafion skyldes inkorporering af perfluorovinylethergrupper, der er afsluttet med sulfonatgrupper på en polytetrafluorethylen (PTFE) rygrad . Nafion er af særlig interesse som en protonleder for proton exchange membraner ( PEM ), bestemt til PEM-brændselsceller på grund af dens meget god termisk og elektrisk stabilitet.
Det kemiske grundlag for Nafions usædvanlige ledende egenskaber undersøges grundigt. Den ioniske ledningsevne hos Nafion øges med dens hydratiseringsgrad. Udsætter Nafion til en befugtet miljø eller flydende vand forøger antallet af vandmolekyler forbundet med hver sulfonsyre -SO 3 H-gruppe.. Den hydrofile natur af ioniske grupper tiltrækker vandmolekyler, som har tendens til at opløse ioniske grupper og adskiller labile protoner fra dem . De dissocierede protoner "hopper" derefter fra et syresite til et andet ved hjælp af en mekanisme, der letter vandmolekyler og hydrogenbindinger . Under virkningen af hydrering danner Nafion faser af nanometrisk størrelse, der danner et sammenkoblet netværk af hydrofile domæner, som tillader cirkulation af vand og kationer, mens membranerne ikke leder anioner og elektroner . Nafion kan produceres i forskellige kationiske former for at justere dens kationiske ledningsevne.
Nafion kan produceres både som en pulveriseret harpiks og som en copolymer . Det har forskellige kemiske konfigurationer og derfor flere navne i IUPAC- nomenklaturen .
Den molekylære vægt af Nafion er variabel på grund af de mange forskellige processer til at producere det og konfigurationer i opløsning. Den generelle struktur af Nafion, vist ovenfor, fremhæver variationen i dette materiale. Således monomerenhederne udviser variationer kæde mellem ether grupper , angivet af indekset z . Konventionelle fremgangsmåder til bestemmelse af molekylvægten såsom lysspredning og kromatografi ved gelpermeation (en) er ikke anvendelige, da Nafion er uopløselig; den molekylære masse af Nafion er imidlertid blevet estimeret til at være mellem 100 og 1000 kDa .
I stedet for molekylvægt anvendes ækvivalent vægt ( EW ) og materialetykkelse til at beskrive kommercielt tilgængelige membraner. Den ækvivalente masse er antallet af gram tør Nafion pr mol af sulfonsyregrupper grupper , når materialet er i syreform. De Nafion 117 viser for eksempel en Nafion med en ækvivalentvægt på 1100 g og en tykkelse på 0,007 inch .
I stedet for ækvivalent masse beskrives ionbytterharpikser normalt med hensyn til ionbytningskapacitet ( IEC ), der udtrykkes som det inverse af ækvivalent masse, dvs.: IEC = 1000 / EW .
Morfologien af Nafion-membraner er genstand for kontinuerlig forskning for bedre at kontrollere deres egenskaber. Strukturen i Nafion betinger dets egenskaber med hensyn til vand , stabiliteten af dets hydrering ved høj temperatur, dets elektro-osmotiske modstand såvel som dens termiske, mekaniske og oxidationsstabilitet. Flere modeller til beskrivelse af morfologien i Nafion er blevet foreslået for at redegøre for dens særlige iontransportegenskaber.
Den første model, kaldet netværket af klynger , eller netværket af kanaler , blev foreslået i 1982 af Gierke et al. . Den består af en regelmæssig fordeling af klynger af ioner sulfonat , også beskrevet som omvendte miceller , med en diameter på ca. 4 nm kontinuerligt i et fluorcarbonnetværk . Kanaler med en diameter på ca. 1 nm forbinder disse klynger, hvilket forklarer disse materialers ioniske transportegenskaber.
Det er vanskeligt at bestemme den nøjagtige struktur af Nafion på grund af dens meget variable opløselighed og krystalstruktur afhængigt af dens mange derivater. Avancerede morfologiske modeller har foreslået en kerneskalemodel, hvor den ionrige kerne omgivet af en ionfattig skal, en stangmodel, hvor sulfongrupper arrangeres i krystallinske stænger , og en sandwichmodel, hvor polymererne danner to lag, hvor sulfongrupperne er placeret på hver side af et vandigt lag, inden for hvilket kationtransportfænomenerne finder sted . Disse modeller præsenterer alle et netværk af ioniske klynger, men adskiller sig i geometrien og fordelingen af disse klynger. Selvom ingen af disse modeller afsløres at være fuldt gyldige, har nogle hold vist, at hydrering af en Nafion-membran ændrer dette materiale fra en klyngenetværk morfologi til en stang morfologi.
En model kaldet vandkanaler blev efterfølgende foreslået fra simuleringer ved røntgenspredning i lille vinkel og ved kernemagnetisk resonans i fast tilstand (en) . I denne model organiserer de sulfonsyrefunktionelle grupper sig selv i netværk af hydrofile vandkanaler , hver ca. 2,5 nm i diameter, gennem hvilke små ioner let kan transporteres. Den hydrofobe polymer rygrad er indsat mellem disse hydrofile kanaler for at tilvejebringe den observerede mekaniske stabilitet.
Nafion fremstilles ved copolymerisation af tetrafluorethylen (TFE) - monomer af polytetrafluorethylen (PTFE) - og en perfluor derivat (alkylvinylether) med en fluorid af sulfonyl -SO 2 F. Sidstnævnte reagens kan opnås ved pyrolyse af dets respektive oxider eller carboylsyrer, der giver alkylstrukturen .
Det opnåede produkt er en termoplast indeholdende grupper –SO 2 Fsom ekstruderes i form af film. Den natriumhydroxid varm vandig NaOH konverterer disse sulfonylfluoridet grupper sulfonat -SO 3- Na + . Denne form for Nafion, kaldet neutral eller saltvand , omdannes efterhånden til en syre formularindeholdende sulfonsyregrupper grupper-SO 3 H. Den kan støbes til tynde film ved opvarmning i en autoklav i vandig opløsning af ethanol ved 250 ° C . Denne ret dyre proces gør det muligt at fremstille Nafion til generering af kompositfilm, belægning af elektroder eller reparation af beskadigede membraner.
Kombinationen af den stabile PTFE-rygrad med sulfonsyregrupper giver Nafion sine egenskaber:
Nafions egenskaber gør det attraktivt til en lang række applikationer. Dette materiale anvendes i brændselsceller , elektrokemisk udstyr , kloralkaliproces , genvinding af metalioner, vandelektrolyse , plettering ( galvanisering ), overfladebehandling af metaller, batteristrøm , sensorer , systemdialyse til Gibbs-Donnan-effekt , lægemiddelafgivelse , befugtning eller tørring af gasserne og katalyse- supersyre til fine kemikalier .
Den chlor Cl 2, Natriumhydroxid NaOH og kalium hydroxid KOH er blandt de mest almindeligt fremstillede kemikalier i verden. I XXI th produktionsmetoder århundrede metoder Cl 2og NaOH / KOH er baseret på elektrolyse af saltlage ved anvendelse af en Nafion-membran mellem halvceller. Før Nafion blev fabrikanter anvendelse amalgamer af kviksølv -holdige natrium at adskille natrium elementære celler, eller membraner asbest tillade overdragelse af kationer af natrium mellem halvceller. Begge teknologier blev udviklet i anden halvdel af det XIX th århundrede. Ulempen ved disse systemer er arbejdstagernes sikkerhed og miljøpåvirkningen forbundet med brugen af kviksølv og asbest. Økonomiske overvejelser spillede også en rolle såvel som klorforurening af hydroxiderne opnået gennem en membran. Nafion var det direkte resultat af forskning i denne industri for at løse disse problemer: den kan modstå høje temperaturer, høje elektriske strømme såvel som det ætsende medium i elektrolytiske celler.
I en kloralkalicelle fungerer Nafion som en membran mellem halvcellerne. Membranen gør det muligt for natrium Na + kationer at passere fra en halv celle til en anden med så lidt elektrisk modstand som muligt. Membranen kan også være forstærket med ekstra membraner for at forhindre gas blanding og reducere modstrøm overførsel af Cl - chlorid og OH - hydroxid anioner .
De brændselsceller er en gammel teknologi, der går tilbage til 1960'erne , såsom strømkilder til kunstige satellitter . Siden begyndelsen af århundredet har de været genstand for aktiv forskning. Disse er motiveret af udfordringerne i grøn hydrogen : hydrogen H 2produceres ved elektrolyse af vand, hvis elektricitet er af vedvarende oprindelse , som frigiver ilt O 2som et biprodukt , ikke ved dampreformering af naturgas , som frigiver kuldioxid CO 2.
Nafion har vist sig at være et meget godt materiale til Proton Exchange Membranes ( PEM ), hvilket tillader protontransport, mens det blokerer elektrontransport , hvilket resulterer i effektive PEM-brændselsceller . Hydrogenet ankommer fra brændstof side ved at frigive elektroner i anoden og protoner i membranen, protoner, som krydser membranen og rekombinerer med elektronerne i katoden for at give vand H 2 Omed ilt på oxidationssiden . De elektroder , der anvendes i disse indretninger er gasdiffusionselektroder ( GDE ), for eksempel fremstillet af PTFE .
Nafion er af natur en supersyre, der kan anvendes som en katalysator i organisk syntese , for eksempel til reaktioner med alkylering , isomerisering , oligomerisering , acylering , ketalisering , forestring , hydrolyse af kulhydrater og ethere såvel som oxidationer . De katalytiske anvendelser af Nafion kan muligvis endnu ikke undersøges fuldt ud. Imidlertid har alle disse processer ikke fundet nogen væsentlig industriel anvendelse.