Nafion - Nafion

Nafion
Identificadores
Número CAS
ChemSpider
PubChem CID
Painel CompTox ( EPA )
Propriedades
Fórmula química	C 7 HF 13 O 5 S. C 2 F 4
Massa molar	Veja o artigo
Perigos
Pictogramas GHS
Palavra-sinal GHS	Aviso
Declarações de perigo GHS	H319 , H335
Declarações de precaução GHS	P261 , P264 , P271 , P280 , P304 + 340 , P305 + 351 + 338 , P312 , P337 + 313 , P403 + 233 , P405 , P501
Compostos relacionados
Compostos relacionados	Aciplex ; Flemion ; Dowew ; fumapem F
	Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
	verificar (o que é ?)
	Referências da Infobox

Nafion é uma marca registrada de um fluoropolímero sulfonado à base de tetrafluoroetileno - copolímero descoberto no final dos anos 1960 por Walther Grot da DuPont . Nafion é uma marca da empresa Chemours. É o primeiro de uma classe de polímeros sintéticos com propriedades iônicas que são chamados de ionômeros . As propriedades iônicas exclusivas da Nafion são resultado da incorporação de grupos éter perfluorovinílico terminados com grupos sulfonato em uma estrutura de tetrafluoroetileno ( PTFE ). O Nafion tem recebido bastante atenção como condutor de prótons para células a combustível de membrana de troca de prótons (PEM) devido à sua excelente estabilidade térmica e mecânica.

A base química das propriedades condutoras superiores do Nafion continua sendo um foco de extensa pesquisa. A condutividade iônica do Nafion aumenta com o nível de hidratação. A exposição do Nafion ao ambiente umidificado ou à água líquida aumenta a quantidade de moléculas de água associadas a cada grupo de ácido sulfônico. A natureza hidrofílica dos grupos iônicos atrai moléculas de água, que tendem a solvatar os grupos iônicos e dissociar os prótons do grupo SO ₃ H ( ácido sulfônico ). Os prótons dissociados "saltam" de um sítio ácido para outro por meio de mecanismos facilitados pelas moléculas de água e pelas ligações de hidrogênio . Após a hidratação, o Nafion se separa em escalas de comprimento nanométrico, resultando na formação de uma rede interconectada de domínios hidrofílicos que permitem o movimento de água e cátions , mas as membranas não conduzem ânions ou elétrons . O Nafion pode ser fabricado em várias formas catiônicas para atingir uma variedade de condutividades catiônicas.

Nomenclatura e peso molecular

Nafion pode ser produzido como uma resina em pó e um copolímero . Ele tem várias configurações químicas e, portanto, vários nomes químicos no sistema IUPAC . Nafion-H, por exemplo, inclui os seguintes nomes sistemáticos:

Do Chemical Abstracts : fluoreto de etanossulfonil, 2- [1- [difluoro - [(trifluoroetenil) oxi] metil] -1,2,2,2-tetrafluoroetoxi] -1,1,2,2, -tetrafluoro-, com tetrafluoroetileno
copolímero de ácido tetrafluoroetileno-perfluoro-3,6-dioxa-4-metil-7-octenossulfônico

O peso molecular do Nafion é incerto devido às diferenças no processamento e na morfologia da solução. A estrutura de uma unidade Nafion, mostrada no topo da página, ilustra a variabilidade do material; por exemplo, o monômero mais básico contém variação em cadeia entre os grupos éter (o subscrito z). Os métodos convencionais de determinação do peso molecular, como dispersão de luz e cromatografia de permeação em gel, não são aplicáveis porque o Nafion é insolúvel, embora o peso molecular tenha sido estimado em 10 ⁵ -10 ⁶ Da. Em vez disso, o peso equivalente (EW) e a espessura do material são usados para descrever a maioria das membranas disponíveis comercialmente. O EW é o número de gramas de Nafion seco por mole de grupos de ácido sulfônico quando o material está na forma ácida. Membranas de Nafion comumente categorizadas em termos de EW e espessura. Por exemplo, Nafion 117 indica uma membrana moldada por extrusão com 1100 g / mol EW e 0,007 polegadas (7 mil) de espessura. Em contraste com o peso equivalente, as resinas de troca iônica convencionais são geralmente descritas em termos de sua capacidade de troca iônica (IEC), que é o inverso multiplicativo ou recíproco do peso equivalente, ou seja, IEC = 1000 / EW.

Preparação

Os derivados de Nafion são sintetizados primeiro pela copolimerização de tetrafluoroetileno (TFE) (o monômero em Teflon) e um derivado de um perfluoro (alquil vinil éter) com fluoreto de ácido sulfonílico. O último reagente pode ser preparado pela pirólise de seu respectivo óxido ou ácido carboxílico para dar a estrutura olefinada.

O produto resultante é um termoplástico contendo -SO ₂ F que é extrudado em filmes. O NaOH aquoso quente converte esses grupos de fluoreto de sulfonila (-SO ₂ F) em grupos sulfonato (-SO ₃^- Na ⁺ ). Esta forma de Nafion, referida como a forma neutra ou de sal, é finalmente convertido na forma de ácido, contendo o ácido sulfónico (-SO ₃ grupos H). Nafion pode ser fundido em filmes finos por aquecimento em álcool aquoso a 250 ° C em uma autoclave . Por este processo, o Nafion pode ser usado para gerar filmes compostos, revestir eletrodos ou reparar membranas danificadas.

Este processo de produção é bastante caro.

Propriedades

A combinação do backbone de PTFE estável com os grupos sulfônicos ácidos dá ao Nafion suas características:

É altamente condutivo a cátions, tornando-o adequado para muitas aplicações de membrana.
Ele resiste a ataques químicos. De acordo com a Chemours , apenas os metais alcalinos (particularmente o sódio) podem degradar o Nafion sob temperaturas e pressões normais.
O backbone de PTFE entrelaçado com os grupos sulfonato iônico dá ao Nafion uma alta temperatura de operação , por exemplo, até 190 ° C, no entanto, na forma de membrana, isso não é possível devido à perda de água e resistência mecânica.
É um catalisador superácido . A combinação de estrutura fluorada, grupos de ácido sulfônico e o efeito estabilizador da matriz polimérica tornam o Nafion um ácido muito forte, com pK _a ~ -6. A este respeito, o Nafion assemelha-se ao ácido trifluorometanossulfônico , CF ₃ SO ₃ H, embora o Nafion seja um ácido mais fraco em pelo menos três ordens de magnitude.
É seletiva e altamente permeável à água.
Sua condutividade de prótons de até 0,2 S / cm dependendo da temperatura, estado de hidratação, histórico térmico e condições de processamento
A fase sólida e a fase aquosa do Nafion são permeáveis aos gases, o que é uma desvantagem para dispositivos de conversão de energia, como folhas artificiais, células de combustível e eletrolisadores de água.

Estrutura / morfologia

A morfologia das membranas Nafion é uma questão de estudo contínuo para permitir um maior controle de suas propriedades. Outras propriedades como gerenciamento de água, estabilidade de hidratação em altas temperaturas, arrasto eletro-osmótico , bem como estabilidade mecânica, térmica e oxidativa, são afetadas pela estrutura do Nafion. Vários modelos foram propostos para a morfologia de Nafion para explicar suas propriedades de transporte únicas.

Modelo de rede de cluster

O primeiro modelo para Nafion, chamado de canal de cluster ou modelo de rede de cluster , consistia em uma distribuição igual de grupos de íons sulfonato (também descritos como ' micelas invertidas ') com um diâmetro de 40 Å (4 nm ) mantido dentro de uma rede de fluorocarbono contínua . Canais estreitos com cerca de 10 Å (1 nm) de diâmetro interconectam os aglomerados, o que explica as propriedades de transporte.

A dificuldade em determinar a estrutura exata do Nafion deriva da solubilidade inconsistente e da estrutura cristalina entre seus vários derivados. Modelos morfológicos avançados incluem um modelo de núcleo-casca onde o núcleo rico em íons é rodeado por uma camada pobre em íons, um modelo de haste onde os grupos sulfônicos se organizam em hastes semelhantes a cristal e um modelo sanduíche onde o polímero forma duas camadas cujo sulfônico grupos atraem através de uma camada aquosa onde ocorre o transporte. A consistência entre os modelos inclui uma rede de aglomerados iônicos; os modelos diferem na geometria e distribuição do cluster. Embora nenhum modelo tenha sido determinado totalmente correto, alguns cientistas demonstraram que à medida que a membrana se hidrata, a morfologia de Nafion se transforma do modelo Cluster-Channel em um modelo em forma de bastonete.

Um modelo de canal cilíndrico de água também foi proposto com base em simulações de dados de espalhamento de raios-X a baixo ângulo e estudos de ressonância magnética nuclear de estado sólido. Neste modelo, os grupos funcionais do ácido sulfônico se auto-organizam em matrizes de canais de água hidrofílicos, cada um com ~ 2,5 nm de diâmetro, através dos quais pequenos íons podem ser facilmente transportados. Intercalados entre os canais hidrofílicos estão estruturas poliméricas hidrofóbicas que fornecem a estabilidade mecânica observada. Muitos estudos recentes, no entanto, favorecem uma nanoestrutura separada por fase consistindo em domínios hidrofílicos localmente planos ou semelhantes a fitas com base em evidências de estudos de imagem direta e análises mais abrangentes da estrutura e propriedades de transporte.

Formulários

As propriedades do Nafion o tornam adequado para uma ampla gama de aplicações. A Nafion encontrou uso em células de combustível , dispositivos eletroquímicos, produção de cloro e álcalis, recuperação de íons metálicos, eletrólise de água , revestimento , tratamento de superfície de metais, baterias, sensores , células de diálise de Donnan , liberação de drogas, secagem ou umidificação de gás e catálise de superácido para a produção de produtos químicos finos. Nafion também é frequentemente citado por seu potencial teórico (ou seja, até agora não testado) em vários campos. Considerando a ampla funcionalidade do Nafion, apenas as mais significativas serão discutidas abaixo.

Membrana celular de produção de cloro-álcali

Uma célula de cloro-álcali

O cloro e o hidróxido de sódio / potássio estão entre as commodities químicas mais produzidas no mundo. Os métodos de produção modernos produzem Cl ₂ e NaOH / KOH a partir da eletrólise da salmoura usando uma membrana de Nafion entre meias-células. Antes do uso de Nafion, as indústrias usavam mercúrio contendo amálgama de sódio para separar o metal de sódio das células ou diafragmas de amianto para permitir a transferência de íons de sódio entre meias células; ambas as tecnologias foram desenvolvidas na segunda metade do século XIX. As desvantagens desses sistemas são a segurança do trabalhador e as preocupações ambientais associadas ao mercúrio e ao amianto, fatores econômicos também contribuíram para a contaminação do produto de hidróxido no processo de diafragma. Nafion foi o resultado direto da indústria de cloro e álcalis tratando dessas preocupações; Nafion pode tolerar as altas temperaturas, altas correntes elétricas e ambiente corrosivo das células eletrolíticas.

A figura à direita mostra uma célula de cloro-álcali onde o Nafion funciona como uma membrana entre meias células. A membrana permite que os íons de sódio sejam transferidos de uma célula para outra com resistência elétrica mínima. A membrana foi também reforçada com membranas adicionais para evitar que o produto mistura de gases e minimizar a transferência de Cl ^- e ^- iões OH.

Membrana de troca de prótons (PEM) para células de combustível

Embora as células de combustível tenham sido usadas desde 1960 como fontes de alimentação para satélites, recentemente elas têm recebido atenção renovada por seu potencial para produzir energia limpa a partir do hidrogênio com eficiência. O Nafion foi considerado eficaz como uma membrana para células de combustível de membrana de troca de prótons (PEM) , permitindo o transporte de íons de hidrogênio enquanto evita a condução de elétrons. Eletrólitos de polímero sólido, que são feitos conectando ou depositando eletrodos (geralmente metal nobre) em ambos os lados da membrana, conduzem os elétrons através de um processo que requer energia e se reúnem aos íons de hidrogênio para reagir com o oxigênio e produzir água. Espera-se que as células de combustível encontrem forte uso na indústria de transporte.

Catalisador superácido para produção de química fina

Nafion, como um superácido , tem potencial como um catalisador para a síntese orgânica . Estudos demonstraram propriedades catalíticas em alquilação , isomerização , oligomerização , acilação , cetalização , esterificação , hidrólise de açúcares e éteres e oxidação . Novos aplicativos são constantemente descobertos. Esses processos, no entanto, ainda não encontraram uso comercial forte. Vários exemplos são mostrados abaixo:

A alquilação com haletos de alquila
Nafion-H dá uma conversão eficiente, enquanto o método alternativo, que emprega a síntese de Friedel-Crafts , pode promover a polialquilação:

Acilação
A quantidade de Nafion-H necessária para catalisar a acilação do benzeno com cloreto de aroila é 10-30% menor que o catalisador de Friedel-Crafts:

A catálise de grupos de proteção
Nafion-H aumenta as taxas de reação de proteção via dihidropirano ou o-trialquilsilação de álcoois, fenol e ácidos carboxílicos.

Isomerização
Nafion pode catalisar uma mudança de 1,2-hidreto .

É possível imobilizar enzimas dentro do Nafion aumentando os poros com sais lipofílicos . Nafion mantém uma estrutura e pH para fornecer um ambiente estável para as enzimas. As aplicações incluem a oxidação catalítica de dinucleotídeos de adenina .

Sensores

A Nafion encontrou uso na produção de sensores , com aplicação em íons seletivos, metalizados, ópticos e biossensores . O que torna o Nafion especialmente interessante é sua demonstração de biocompatibilidade . Nafion demonstrou ser estável em culturas de células , bem como no corpo humano, e há pesquisas consideráveis para a produção de sensores de glicose de maior sensibilidade .

Superfícies antimicrobianas

As superfícies de Nafion mostram uma zona de exclusão contra a colonização de bactérias. Além disso, os revestimentos camada a camada compreendendo Nafion apresentam excelentes propriedades antimicrobianas.

Desumidificação em espaçonave

A nave espacial SpaceX Dragon 2 com capacidade humana usa membranas Nafion para desumidificar o ar da cabine. Um lado da membrana é exposto à atmosfera da cabine, o outro ao vácuo do espaço. Isso resulta na desumidificação, pois o Nafion é permeável às moléculas de água, mas não ao ar. Isso economiza energia e complexidade, pois o resfriamento não é necessário (conforme necessário com um desumidificador de condensação) e a água removida é rejeitada para o espaço sem a necessidade de mecanismo adicional.

Nafion modificado para células de combustível PEM

O Nafion normal desidrata (portanto, perde a condutividade do próton) quando a temperatura está acima de ~ 80 ° C. Esta limitação atrapalha o projeto de células de combustível porque temperaturas mais altas são desejáveis para melhor eficiência e tolerância ao CO do catalisador de platina. O fosfato de sílica e zircônio pode ser incorporado aos canais de água Nafion por meio de reações químicas in situ para aumentar a temperatura de trabalho acima de 100 ° C.

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