Nafion | |
Nafion'un monomer birimleri . | |
Kimlik | |
---|---|
IUPAC adı | 1,1,2,2-tetrafloroeten; 1,1,2,2-tetrafloro-2- [1,1,1,2,3,3-heksafloro-3- (1,2,2-trifloroetenoksi) propan asit -2-yl] oksietansülfonik asit |
N O CAS | |
PubChem | 61889 |
ChEBI | 53682 |
GÜLÜMSEME |
C (= C (F) F) (OC (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 |
Kimyasal özellikler | |
Kaba formül | C 2 F 4 –C 7 HF 13 O 5 S için |
Molar kütle | 544,139 ± 0,014 g / mol C% 19,87, H% 0,19, F% 59,35, O% 14,7, S% 5,89, |
Önlemler | |
SGH | |
Uyarı H315, H319, H335, P280, P312, P302 + P352, P304 + P340, P332 + P313, P337 + P313, H315 : Cilt tahrişine neden olur H319 : Ciddi göz tahrişine neden olur H335 : Solunum sistemini tahriş edebilir P280 : Koruyucu eldiven / koruyucu kıyafet / göz koruyucu / yüz koruyucu kullanın. P312 : Kendinizi iyi hissetmiyorsanız ZEHİR DANIŞMA MERKEZİNİN 114 NOLU TELEFONUNU veya doktoru / hekimi arayın. P302 + P352 : Cilde temas ederse: Bol sabun ve su ile yıkayın. P304 + P340 : Teneffüs ettikten sonra : Kazazedeyi temiz havaya çıkarın ve nefes alması için rahat bir pozisyonda dinlendirin. P332 + P313 : Ciltte tahriş söz konusu ise: Tıbbi yardım / müdahale alın. P337 + P313 : Göz tahrişi devam ederse: Tıbbi yardım alın . |
|
NFPA 704 | |
1 2 1 | |
Aksi belirtilmedikçe SI ve STP birimleri . | |
Nafion adı marka a floropolimer kopolimeri göre tetrafloroetilen sülfonatlı geç ortaya 1960'ların de Walther Grot tarafından DuPont . Monomer birimlerinin küçük ama önemli bir kısmının iyonik veya iyonize edilebilir gruplar içerdiği bir sentetik polimer sınıfı olan iyonomerlerin ilk temsilcisidir . Nafion'un belirli iyonik özellikleri , bir politetrafloroetilen (PTFE) omurgası üzerinde sülfonat grupları tarafından sonlandırılan perflorovinil eter gruplarının dahil edilmesinden kaynaklanır . Nafion, çok iyi termal ve elektriksel kararlılığı nedeniyle PEM yakıt hücrelerine yönelik proton değişim membranları ( PEM ) için bir proton iletkeni olarak özel ilgi konusudur .
Nafion'un istisnai iletken özelliklerinin kimyasal temeli kapsamlı bir şekilde incelenmektedir. Nafion'un iyonik iletkenliği, hidrasyon derecesi ile artar. Nafion'u nemli bir ortama veya sıvı suya maruz bırakmak, her bir sülfonik asit –SO 3 H grubu ile ilişkili su moleküllerinin sayısını artırır .. Hidrofilik doğa iyonik grupların eğilimi, su moleküllerinin, çeken solvatı iyonik gruplar ve ayrışan kararsız onlardan protonları . Ayrışan protonlar daha sonra su molekülleri ve hidrojen bağları tarafından kolaylaştırılan bir mekanizma ile bir asit bölgesinden diğerine "atlar" . Hidrasyonun etkisi altında, Nafion , membranlar anyonları ve elektronları iletmezken su ve katyonların dolaşımına izin veren, birbirine bağlı bir hidrofilik alan ağı oluşturan nanometrik boyutta fazlar oluşturur . Nafion, katyonik iletkenliğini ayarlamak için farklı katyonik formlarda üretilebilir.
Nafion hem toz reçine hem de kopolimer olarak üretilebilir . Çeşitli kimyasal konfigürasyonlara ve dolayısıyla IUPAC terminolojisinde birkaç isme sahiptir .
Molekül ağırlığı Nafion'a nedeniyle çözeltide bunu üretmek için yöntemlerin ve konfigürasyonlarda çeşitli değişkendir. Nafion'un yukarıda gösterilen genel yapısı, bu malzemenin değişkenliğini vurgulamaktadır. Bu nedenle monomer birimleri , z indeksi ile gösterilen eter grupları arasında zincir varyasyonları sergiler . Işık saçılması gibi moleküler ağırlığın belirlenmesi için geleneksel yöntemler ve jel geçirgenliği (en) ile kromatografi, Nafion çözünmez olduğundan uygulanamaz; ancak, Nafion'un moleküler kütlesinin 100 ile 1000 kDa arasında olduğu tahmin edilmektedir .
Ticari olarak temin edilebilen membranları tanımlamak için moleküler ağırlık yerine eşdeğer ağırlık ( EW ) ve malzeme kalınlığı kullanılır. Eşdeğer kütle, malzeme asit formunda olduğunda sülfonik asit gruplarının molü başına gram kuru Nafion sayısıdır . Nafion 117 örneğin Şekil 1100 eşdeğer ağırlığına sahip olan bir Nafion® g ve 0.007 arasında bir kalınlığa inç .
Eşdeğer kütle yerine, iyon değiştirme reçineleri genellikle eşdeğer kütlenin tersi olarak ifade edilen iyon değişim kapasitesi ( IEC ) cinsinden tanımlanır, yani: IEC = 1000 / EW .
Nafion membranların morfolojisi, özelliklerini daha iyi kontrol etmek için sürekli araştırma konusudur. Nafion'un yapısı suya göre özelliklerini , hidratasyonunun yüksek sıcaklıktaki kararlılığını, elektro-ozmotik direncini ve ayrıca termal, mekanik ve oksidasyon kararlılığını şartlandırır. Belirli iyon taşıma özelliklerini hesaba katmak için Nafion'un morfolojisini açıklayan birkaç model önerilmiştir.
Kümeler ağı veya kanallar ağı olarak adlandırılan ilk model, 1982 yılında Gierke ve arkadaşları tarafından önerildi . . Bu düzenli dağılım oluşur kümeleri arasında iyonları sülfonat gibi de tarif miseller ters kadar bir çapa sahip olan, 4 nm bir ağ içinde tutulan florokarbon sürekli. Çapı yaklaşık 1 nm olan kanallar, bu kümeleri birbirine bağlar, bu da bu malzemelerin iyonik taşıma özelliklerini açıklar.
Nafion'un çok değişken çözünürlüğü ve birçok türevine bağlı olarak kristal yapısı nedeniyle kesin yapısını belirlemek zordur . Gelişmiş morfolojik modeller, iyon bakımından zengin çekirdeğin iyon bakımından fakir bir kabukla çevrili olduğu bir çekirdek-kabuk modeli, sülfonik grupların kristal çubuklar halinde düzenlendiği bir çubuk modeli ve polimerlerin içinde iki katman oluşturduğu bir sandviç model önermiştir. sülfonik gruplar, katyon taşıma olayının gerçekleştiği sulu bir katmanın her iki yanında yer alır . Bu modellerin tümü bir iyonik kümeler ağı sunar, ancak bu kümelerin geometrisi ve dağılımı bakımından farklılık gösterir. Bu modellerin hiçbirinin tam olarak geçerli olmadığı ortaya çıkmasa da, bazı ekipler bir Nafion membranının hidrasyonunun bu malzemeyi bir küme ağı morfolojisinden çubuk morfolojisine değiştirdiğini göstermiştir.
Su kanalları olarak bilinen bir model daha sonra simülasyonlardan küçük açılı X-ışını saçılması ve katı haldeki nükleer manyetik rezonans ile önerildi (en) . Bu modelde, sülfonik asit fonksiyonel grupları , küçük iyonların kolaylıkla taşınabildiği , her biri yaklaşık 2,5 nm çapında hidrofilik su kanalı ağları halinde kendi kendine organize olur . Hidrofobik polimer omurgası, gözlemlenen mekanik stabiliteyi sağlamak için bu hidrofilik kanallar arasına yerleştirilir.
Nafyon tarafından üretilen kopolimerizasyon ve tetrafloroetilen - (TFE) monomer ve politetrafloroetilen (PTFE) - sahip (alkil vinil eter) ve bir perfluoro türevi fluorür ve sülfonil -SO 2 F. Son belirteç , alkil yapısını veren ilgili oksitlerinin veya karboyil asitlerinin pirolizi ile elde edilebilir .
Elde edilen ürün termoplastik içeren -SO 2 Fki olan ekstrüde filmler formunda. Sodyum hidroksit , sıcak sulu NaOH, bu sülfonil fluorür grupları dönüştürür sülfonat -SO 3- Na + . Nötr veya salin olarak adlandırılan bu Nafion formu, nihayet sülfonik asit grupları içerenbir asit formuna dönüştürülür–SO 3 H. Bu edilebilir kalıplanmış içinde ısıtılarak ince filmler halinde , bir otoklav içinde , sulu çözelti içinde etanol ile 250 ° C . Bu oldukça pahalı işlem, kompozit filmler oluşturmak, elektrotları kaplamak veya hasarlı membranları onarmak için Nafion üretmeyi mümkün kılar.
Kararlı PTFE omurgasının sülfonik asit gruplarıyla kombinasyonu, Nafion'a özelliklerini verir:
Nafion'un özellikleri onu geniş bir uygulama yelpazesi için çekici kılmaktadır. Bu malzeme kullanılan yakıt hücreleri , elektrokimyasal ekipman , klor-alkali işlem , metal iyonlarının geri kazanımı, su elektroliz , kaplama ( galvanik ), yüzey işlemleri metallerin, pil gücü , sensörler , sistem diyaliz için Gibbs-Donnan etkisi , ilaç verme , gazların nemlendirilmesi veya kurutulması ve ince kimyasallar için süper asit kataliz .
Klor Cı 2, Sodyum hidroksit , NaOH ve potasyum hidroksit KOH, dünyada en yaygın üretilen kimyasal arasındadır. Gelen XXI inci Cı yüzyıl üretim yöntemleri 2ve NaOH / KOH dayanmaktadır elektroliz ve tuz çözeltisi yarı hücreleri arasında bir Nafion® membran kullanılarak. Nafion'a önce, üreticiler kullanıyorlardı amalgam ve civa ihtiva eden sodyum sodyum ayırmak için temel hücreleri veya diyaframlar asbest transferine izin vermek için katyonlar arasında sodyum yarı hücreleri arasında. Her iki teknolojiler ikinci yarısında geliştirilmiştir XIX inci yüzyılın. Bu sistemlerin dezavantajı, işçi güvenliği ve cıva ve asbest kullanımıyla ilişkili çevresel etkidir. Bir diyafram yoluyla elde edilen hidroksitlerin klorla kirlenmesinin yanı sıra ekonomik hususlar da bir rol oynadı. Nafion, bu problemleri çözmek için bu endüstride yapılan araştırmaların doğrudan sonucuydu: yüksek sıcaklıklara, yüksek elektrik akımlarına ve elektrolitik hücrelerin aşındırıcı ortamına dayanabilir .
Bir klor-alkali hücrede, Nafion, yarım hücreler arasında bir zar görevi görür. Membran, sodyum Na + katyonlarının bir yarım hücreden diğerine mümkün olduğunca az elektrik direnci ile geçmesine izin verir . Membran ayrıca, gazın karışmasını önlemek ve Cl - klorür ve OH - hidroksit anyonlarının karşı akım transferlerini azaltmak için ek membranlarla güçlendirilebilir .
Yakıt hücreleri için geri kalma, eski bir teknolojidir 1960'larda böyle güç kaynağı olarak, yapay uydular . Yüzyılın başından beri aktif araştırma konusu oldular. Bunlar yeşil hidrojenin zorlukları tarafından motive edilir : hidrojen H 2elektriği yenilenebilir kaynaklı olan ve oksijen O 2 açığa çıkaran suyun elektrolizi ile üretilir.karbondioksit CO 2 açığa çıkaran , doğal gazın buharla reformasyonuyla değil, yan ürün olarak.
Nafion, Proton Değişim Membranları ( PEM ) için çok iyi bir malzeme olduğunu kanıtladı ve elektron taşınmasını bloke ederken proton taşınmasına izin vererek verimli PEM yakıt hücreleri elde edilmesini sağladı . Hidrojen geldiğinde yakıt tarafında elektronların serbest bırakarak anot , membranda proton ve elektronlar ile zar ve rekombine çapraz proton katot vermek üzere su H | 2 Ooksitleyici tarafında oksijen ile . Elektrotlar , bu cihazlarda kullanılan , gaz difüzyon elektrotlarının ( GDE yapılmış örneğin) PTFE .
Nafion doğası gereği olan superacid bir şekilde kullanılabilir katalizör olarak organik sentez reaksiyonları için, örneğin, alkilasyon , izomerizasyon , oligomerizasyon , asilasyon , ketalizasyon , esterleştirme , hidroliz ve karbonhidrat ve eterleri gibi oksidasyonlar . Nafion'un katalitik uygulamaları henüz tam olarak araştırılmamış olabilir. Bununla birlikte, tüm bu işlemler önemli bir endüstriyel uygulama bulamamıştır.