Naród

Naród
Chemical Structure of Nafion
Identyfikatory
ChemSpider
  • nic
Identyfikator klienta PubChem
Nieruchomości
C7HF13O5S . _ _ _ _ _ C 2 F 4
Masa cząsteczkowa Zobacz artykuł
Zagrożenia
Oznakowanie GHS :
GHS07: Exclamation mark
Ostrzeżenie
H319 , H335
P261 , P264 , P271 , P280 , P304+P340 , P305+P351+P338 , P312 , P337+P313 , P403+P233 , P405 , P501
Związki pokrewne
Związki pokrewne


Aciplex Flemion Dowew fumapem F
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w stanie normalnym (przy 25°C [77°F], 100 kPa).
☒  N ( co to jest check☒ T N ?)

Nafion jest marką sulfonowanego tetrafluoroetylenu na bazie fluoropolimeru - kopolimeru , odkrytego pod koniec lat 60-tych przez dr Walthera Grota z firmy DuPont . Nafion to marka firmy Chemours. Jest to pierwszy z klasy syntetycznych polimerów o właściwościach jonowych, zwanych jonomerami . Unikalne właściwości jonowe Nafionu są wynikiem włączenia grup eteru perfluorowinylowego zakończonych grupami sulfonianowymi do szkieletu tetrafluoroetylenu ( PTFE ). Nafion otrzymał znaczną ilość uwagi jako przewodnik protonów do ogniw paliwowych z membraną do wymiany protonów (PEM) ze względu na doskonałą stabilność chemiczną i mechaniczną w trudnych warunkach tego zastosowania.

Chemiczne podstawy właściwości przewodzenia jonów przez Nafion pozostają przedmiotem szeroko zakrojonych badań. Przewodnictwo jonowe Nafionu wzrasta wraz ze stopniem nawilżenia. Wystawienie Nafionu na działanie wilgotnego środowiska lub ciekłej wody zwiększa ilość cząsteczek wody związanych z każdą grupą kwasu sulfonowego. Hydrofilowy charakter grup jonowych przyciąga cząsteczki wody, które zaczynają solwatować grupy jonowe i dysocjować protony z grupy -SO 3 H ( kwas sulfonowy ). Zdysocjowane protony „przeskakują” z jednego miejsca kwasowego do drugiego dzięki mechanizmom ułatwianym przez cząsteczki wody i wiązanie wodorowe . Po uwodnieniu Nafion rozdziela fazy w skali nanometrowej, co powoduje utworzenie połączonej sieci domen hydrofilowych, które umożliwiają ruch wody i kationów , ale membrany nie przewodzą elektronów i minimalnie przewodzą aniony ze względu na permselectivity (wykluczenie oparte na opłatach). Nafion można wytwarzać lub wymieniać na alternatywne formy kationów do różnych zastosowań (np. litowanie w przypadku akumulatorów litowo-jonowych) i przy różnych masach równoważnych (EW), alternatywnie uważanych za zdolności wymiany jonowej (IEC), w celu uzyskania szeregu przewodności kationowych z kompromisami w stosunku do innych właściwości fizykochemicznych, takich jak wchłanianie wody i pęcznienie.

Nomenklatura i masa cząsteczkowa

Nafion może być produkowany zarówno w postaci żywicy proszkowej , jak i kopolimeru . Ma różne konfiguracje chemiczne, a tym samym kilka nazw chemicznych w IUPAC . Nafion-H, na przykład, zawiera następujące nazwy systematyczne:

  • Z Chemical Abstracts : fluorek etanosulfonylu, 2-[1-[difluoro-[(trifluoroetenylo)oksy]metylo]-1,2,2,2-tetrafluoroetoksy]-1,1,2,2,-tetrafluoro-, z tetrafluoroetylenem
  • kopolimer kwasu tetrafluoroetyleno-perfluoro-3,6-dioksa-4-metylo-7-oktenosulfonowego

Masa cząsteczkowa Nafionu jest zmienna ze względu na różnice w przetwarzaniu i morfologii roztworu. Struktura jednostki Nafion ilustruje zmienność materiału; na przykład najbardziej podstawowy monomer zawiera zmienność łańcucha między grupami eterowymi (indeks dolny z). Konwencjonalne metody określania masy cząsteczkowej, takie jak chromatografia rozpraszania światła i żelowa, nie mają zastosowania , ponieważ nafion jest nierozpuszczalny, chociaż masę cząsteczkową oszacowano na 10 5–10 6 Da. Zamiast tego do opisu większości dostępnych na rynku membran używa się ciężaru równoważnego (EW) i grubości materiału. EW to liczba gramów suchego Nafionu na mol grup kwasu sulfonowego, gdy materiał jest w postaci kwasowej. Membrany nafionowe są powszechnie klasyfikowane pod względem ich EW i grubości. Na przykład Nafion 117 wskazuje membranę odlewaną przez wytłaczanie o 1100 g/mol EW i grubości 0,007 cala (7 milicali). W przeciwieństwie do ciężaru równoważnikowego, konwencjonalne żywice jonowymienne są zwykle opisywane w kategoriach ich wymiany jonowej pojemność (IEC), która jest multiplikatywną odwrotnością lub odwrotnością równoważnej masy, tj. IEC = 1000/EW.

Przygotowanie

Pochodne nafionu są najpierw syntetyzowane przez kopolimeryzację tetrafluoroetylenu (TFE) (monomer w teflonie) i pochodnej perfluoro (eteru alkilowo-winylowego) z fluorkiem kwasu sulfonylowego. Ten ostatni odczynnik można wytworzyć przez pirolizę jego odpowiedniego tlenku lub kwasu karboksylowego z wytworzeniem struktury olefinowej.

Otrzymany produkt jest termoplastem zawierającym -SO2F , który jest wytłaczany w folie. Gorący wodny NaOH przekształca te grupy fluorku sulfonylu (-SO 2 F) w grupy sulfonianowe (-SO 3 - Na + ). Ta forma Nafionu, określana jako forma obojętna lub sól, jest ostatecznie przekształcana w formę kwasową zawierającą grupy kwasu sulfonowego (-SO3H ) . Nafion można zdyspergować w roztworze przez ogrzewanie w wodnym alkoholu w temperaturze 250 ° C w autoklawie w celu późniejszego odlewania cienkich warstw lub stosować jako spoiwo polimerowe w elektrodach. Dzięki temu procesowi Nafion może być używany do wytwarzania warstw kompozytowych, powlekania elektrod lub naprawy uszkodzonych membran.

Ten proces produkcyjny jest kosztowny i niebezpieczny ze względu na wyjątkowo utleniający charakter fluoru i wysoce reaktywnych półproduktów, takich jak TFE.

Nieruchomości

Połączenie stabilnego rdzenia PTFE z kwasowymi grupami sulfonowymi nadaje Nafion jego właściwości:

  • Jest wysoce przewodzący kationy, dzięki czemu nadaje się do wielu zastosowań membranowych.
  • Jest odporny na atak chemiczny. Według Chemours tylko metale alkaliczne (zwłaszcza sód) mogą rozkładać Nafion w normalnych temperaturach i ciśnieniach.
  • Szkielet PTFE przeplatany jonowymi grupami sulfonianowymi zapewnia Nafionowi wysoką stabilność chemiczną w temperaturze (np. 190°C), ale temperatura mięknienia w zakresie 85-100°C daje mu umiarkowaną temperaturę pracy, np. do 100°C , z dodatkowe wyzwania we wszystkich zastosowaniach związane z utratą wody powyżej 100°C.
  • Jest to superkwasowy katalizator. Połączenie fluorowanego łańcucha głównego, grup kwasu sulfonowego i stabilizującego działania matrycy polimerowej sprawia, że ​​Nafion jest bardzo silnym kwasem o pKa ~ -6. Pod tym względem Nafion przypomina kwas trifluorometanosulfonowy CF 3 SO 3 H, chociaż Nafion jest kwasem słabszym o co najmniej trzy rzędy wielkości.
  • Jest selektywnie i wysoce przepuszczalny dla wody.
  • Jego przewodnictwo protonowe do 0,2 S /cm w zależności od temperatury, stanu uwodnienia, historii termicznej i warunków przetwarzania
  • Zarówno faza stała, jak i faza wodna Nafionu są przepuszczalne dla gazów, co jest wadą urządzeń do konwersji energii, takich jak sztuczne liście, ogniwa paliwowe i elektrolizery wody.

Struktura/morfologia

Morfologia membran Nafion jest przedmiotem ciągłych badań, aby umożliwić większą kontrolę nad jej właściwościami. Na inne właściwości, takie jak gospodarka wodna, stabilność hydratacji w wysokich temperaturach, opór elektroosmotyczny , a także stabilność mechaniczna, termiczna i oksydacyjna, wpływa struktura Nafionu. Zaproponowano szereg modeli morfologii Nafionu, aby wyjaśnić jego unikalne właściwości transportowe.

Model sieci klastrowej

Pierwszy model dla Nafionu, zwany klastrem-kanałem lub klastrem-siecią , składał się z równego rozkładu klastrów jonów sulfonianowych (określanych również jako „odwrócone micele ”) o średnicy 40 Å (4 nm ) utrzymywanych w ciągłej sieci fluorowęglowej . Wąskie kanały o średnicy około 10 Å (1 nm) łączą klastry, co wyjaśnia właściwości transportowe.

Trudność w określeniu dokładnej struktury Nafionu wynika z niespójnej rozpuszczalności i struktury krystalicznej różnych jego pochodnych. Zaawansowane modele morfologiczne obejmowały model rdzeń-powłoka , w którym rdzeń bogaty w jony jest otoczony powłoką ubogą w jony, model pręta , w którym grupy sulfonowe układają się w krystaliczne pręty, oraz model warstwowy gdzie polimer tworzy dwie warstwy, których grupy sulfonowe przyciągają się przez warstwę wodną, ​​w której zachodzi transport. Spójność między modelami obejmuje sieć klastrów jonowych; modele różnią się geometrią i rozkładem skupień. Chociaż żaden model nie został jeszcze określony w pełni poprawnie, niektórzy naukowcy wykazali, że w miarę uwadniania błony morfologia Nafiona zmienia się z modelu Cluster-Channel do modelu przypominającego pręcik.

Zaproponowano również model cylindrycznego kanału wodnego w oparciu o symulacje danych dotyczących rozpraszania promieni rentgenowskich pod małymi kątami oraz badania magnetycznego rezonansu jądrowego w ciele stałym. W tym modelu grupy funkcyjne kwasu sulfonowego samoorganizują się w układy hydrofilowych kanałów wodnych, każdy o średnicy ~ 2,5 nm, przez które małe jony mogą być łatwo transportowane. Pomiędzy kanałami hydrofilowymi rozmieszczone są hydrofobowe szkielety polimerowe, które zapewniają obserwowaną stabilność mechaniczną. Jednak wiele ostatnich badań faworyzowało nanostrukturę z rozdzielonymi fazami, składającą się z lokalnie płaskich lub przypominających wstęgę domen hydrofilowych w oparciu o dowody z badań bezpośredniego obrazowania i bardziej kompleksową analizę struktury i właściwości transportowych.

Aplikacje

Właściwości Nafion sprawiają, że nadaje się on do szerokiego zakresu zastosowań. Nafion znalazł zastosowanie w ogniwach paliwowych , urządzeniach elektrochemicznych, produkcji chloro-alkalicznej, odzyskiwaniu jonów metali, elektrolizie wody , galwanizacji , obróbce powierzchni metali, bateriach, czujnikach , komórkach do dializy Donnana, uwalnianiu leków, suszeniu lub nawilżaniu gazów oraz superkwasie kataliza do produkcji wysokowartościowych chemikaliów. Nafion jest również często cytowany ze względu na teoretyczny potencjał (tj. dotychczas niesprawdzony) w wielu dziedzinach. Biorąc pod uwagę szeroką funkcjonalność Nafiona, poniżej zostaną omówione tylko te najważniejsze.

Błona komórkowa do produkcji chloro-alkaliów

Ogniwo chloro-alkaliczne

Chlor i wodorotlenek sodu/potasu należą do najczęściej produkowanych towarowych chemikaliów na świecie. Nowoczesne metody produkcji wytwarzają Cl 2 i NaOH/KOH z elektrolizy solanki przy użyciu membrany Nafion pomiędzy półogniwami. Przed zastosowaniem Nafionu przemysł wykorzystywał rtęć do oddzielania metalicznego sodu od ogniw lub azbestu przepony umożliwiające przenoszenie jonów sodu między półogniwami; obie technologie zostały opracowane w drugiej połowie XIX wieku. Wadą tych systemów jest bezpieczeństwo pracowników i względy środowiskowe związane z rtęcią i azbestem, pewną rolę odgrywały również czynniki ekonomiczne, aw procesie przeponowym zanieczyszczenie produktu wodorotlenkowego chlorkami. Nafion był bezpośrednim wynikiem rozwiązania tych problemów przez przemysł chloro-alkaliczny; Nafion mógł tolerować wysokie temperatury, wysokie prądy elektryczne i korozyjne środowisko ogniw elektrolitycznych.

Rysunek po prawej pokazuje ogniwo chloro-alkaliczne, w którym Nafion działa jak membrana między półogniwami. Membrana umożliwia przenoszenie jonów sodu z jednej komórki do drugiej przy minimalnym oporze elektrycznym. Membrana została również wzmocniona dodatkowymi membranami, aby zapobiec mieszaniu się produktów gazowych i zminimalizować transfer zwrotny jonów Cl − i − OH.

Membrana do wymiany protonów (PEM) do ogniw paliwowych

Chociaż ogniwa paliwowe są używane od lat 60. XX wieku jako źródła zasilania satelitów, ostatnio ponownie zwrócono na nie uwagę ze względu na ich potencjał w zakresie wydajnego wytwarzania czystej energii z wodoru. Nafion okazał się skuteczny jako membrana do ogniw paliwowych z membraną do wymiany protonów (PEM). umożliwiając transport jonów wodorowych, jednocześnie zapobiegając przewodzeniu elektronów. Stałe elektrolity polimerowe, które są wytwarzane przez podłączenie lub osadzanie elektrod (zwykle z metalu szlachetnego) po obu stronach membrany, przewodzą elektrony przez proces wymagający energii i ponownie łączą jony wodoru, reagując z tlenem i wytwarzając wodę. Oczekuje się, że ogniwa paliwowe znajdą szerokie zastosowanie w branży transportowej.

Katalizator superkwasowy do produkcji drobnych chemikaliów

Nafion, jako superkwas , ma potencjał jako katalizator syntezy organicznej . Badania wykazały właściwości katalityczne w alkilowaniu , izomeryzacji , oligomeryzacji , acylowaniu , ketalizacji , estryfikacji , hydrolizie cukrów i eterów oraz utlenianiu . Ciągle odkrywane są nowe zastosowania. Procesy te jednak nie znalazły jeszcze silnego zastosowania komercyjnego. Poniżej pokazano kilka przykładów:


Alkilowanie halogenkami alkilowymi Nafion-H daje wydajną konwersję, podczas gdy metoda alternatywna, wykorzystująca syntezę Friedela-Craftsa , może sprzyjać polialkilowaniu:

Alkyl Halide Reaction



Acylowanie Ilość Nafionu-H potrzebna do katalizowania acylowania benzenu chlorkiem aroilu jest o 10–30% mniejsza niż w przypadku katalizatora Friedela-Craftsa:

Acylation of Benzene



Kataliza grup zabezpieczających Nafion-H zwiększa szybkość reakcji zabezpieczających poprzez dihydropiran lub o-trialkilosilowanie alkoholi, fenolu i kwasów karboksylowych .

Catalysis of protection groups



Izomeryzacja Nafion może katalizować przesunięcie 1,2-wodorkowe .

Isomerization via Nafion

Możliwe jest unieruchomienie enzymów w obrębie Nafionu poprzez rozszerzenie porów solami lipofilowymi . Nafion utrzymuje strukturę i pH, aby zapewnić stabilne środowisko dla enzymów. Zastosowania obejmują katalityczne utlenianie dinukleotydów adeninowych.

Czujniki

Nafion znalazł zastosowanie w produkcji czujników , z zastosowaniem w jonoselektywnych, metalizowanych, optycznych i biosensorach . To, co sprawia, że ​​Nafion jest szczególnie interesujący, to jego demonstracja biozgodności . Wykazano, że Nafion jest stabilny w hodowlach komórkowych , jak również w organizmie ludzkim, i prowadzone są znaczne badania w kierunku produkcji czujników glukozy o wyższej czułości .

Powierzchnie antybakteryjne

Powierzchnie nafionowe wykazują strefę wykluczenia przed kolonizacją bakterii. Ponadto powłoki warstwa po warstwie zawierające Nafion wykazują doskonałe właściwości przeciwdrobnoustrojowe.

Osuszanie w statkach kosmicznych

SpaceX Dragon 2 przeznaczony dla ludzi wykorzystuje membrany Nafion do osuszania powietrza w kabinie. Jedna strona membrany jest wystawiona na działanie atmosfery kabiny, druga na próżnię kosmiczną. Powoduje to osuszanie, ponieważ Nafion przepuszcza cząsteczki wody, ale nie przepuszcza powietrza. Oszczędza to energię i złożoność, ponieważ chłodzenie nie jest wymagane (tak jak jest to konieczne w przypadku osuszacza kondensacyjnego), a usunięta woda jest odrzucana do przestrzeni bez potrzeby stosowania dodatkowego mechanizmu.

Zmodyfikowany Nafion do ogniw paliwowych PEM

Normalny Nafion odwodni się (w ten sposób straci przewodnictwo protonowe), gdy temperatura przekroczy ~80°C. To ograniczenie utrudnia projektowanie ogniw paliwowych, ponieważ wyższe temperatury są pożądane dla lepszej wydajności i tolerancji CO katalizatora platynowego. Krzemionkę i fosforan cyrkonu można wprowadzać do kanałów wodnych Nafion poprzez in situ , aby zwiększyć temperaturę roboczą do ponad 100°C.

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nafion&oldid=1124121223 ”