El objetivo de este artículo es investigar el uso de uniones de membranas 3D obtenidas mediante electrohilado para mejorar el proceso catalítico en membranas bipolares (BPM) utilizadas en procesos de disociación del agua. Para ello, se comparan las membranas bipolares con uniones 2D fabricadas por laminación con las uniones 3D entrelazadas fabricadas por electrohilado, utilizando los mismos polímeros para la capa aniónica y catiónica. Además, se ha investigado el uso del polímero P4VP como catalizador para la reacción.
Introducción
Las membranas bipolares (BPM) son un tipo de membrana que permite el intercambio iónico. Las BPM se utilizan para disociar el agua en muchos procesos basados en la electrodiálisis, lo que da lugar a hidróxidos (OH-) y protones (H+) a partir de una solución neutra. Las aplicaciones industriales de las BPM incluyen la producción y purificación de ácidos y bases, la captura de CO2, las baterías de flujo y las pilas de combustible, entre otras.
Las BPM están compuestas por dos capas cargadas adyacentes: una capa de intercambio aniónico (AEL) y una capa de intercambio catiónico (CEL), que se unen mediante diferentes técnicas. La superficie de contacto entre las dos capas de intercambio se denomina unión de membrana. Esta unión es generalmente bidimensional (2D) y es donde tiene lugar el proceso electrocatalítico de disociación del agua.
Los BPM convencionales se fabrican alternando capas sucesivas de intercambio de aniones y cationes, que se unen o se prensan a altas presiones y temperaturas. Los BPM también pueden fabricarse fundiendo las diferentes capas de intercambio de aniones y cationes de forma controlada y secuencial.
Los BPM actuales tienen ciertas limitaciones, como una baja tasa de disociación del agua y una estabilidad deficiente en condiciones adversas. Para superar estas limitaciones, los autores de esta publicación proponen fabricar las uniones de membrana de los BPM mediante electrospinning. En este caso, se depositan nanofibras de diferentes materiales poliméricos utilizados en las capas aniónicas y catiónicas en la unión de la membrana para aumentar la zona de contacto entre las capas de intercambio. Esto genera una estructura tridimensional (3D) entrelazada y abierta que facilita el transporte de agua dentro del BPM, aumentando así la eficiencia del proceso de disociación. Además, también proponen el uso de catalizadores poliméricos, en particular P4VP.
Materiales y métodos
Se utilizaron dos tipos diferentes de polímeros para fabricar las membranas. El polímero utilizado como intercambiador catiónico fue SPEEK (poli(éter éter cetona) sulfonado). El polímero utilizado como intercambiador de aniones fue FAA-3. En ambos casos, el disolvente utilizado fue DMAc (dimetilacetamida). Por otro lado, existen diferentes catalizadores que pueden utilizarse junto con el BPM para acelerar el proceso de disociación del agua. En este trabajo se ha investigado el uso del P4VP (poli(4-vinilpirrolidina)) como catalizador incorporándolo a la unión de la membrana de algunos de los BPM fabricados.
En concreto, en este trabajo de investigación se han fabricado 5 tipos diferentes de BPM:
– 2 BPM con unión 2D mediante laminación y prensado en caliente: uno sin catalizador y otro con P4VP electroestirado en la unión antes de la laminación.
– 3 BPM con unión entrelazada en 3D mediante electrospinning y posterior prensado en caliente: uno sin catalizador, otro con un 7,7 % en peso de P4VP en las fibras FAA-3 en la unión y otro con un 15 % en peso de P4VP en las fibras FAA-3, tanto en la unión como en el AEL.
El equipo de electrospinning utilizado para fabricar los BPM con unión 3D fue un Fluidnatek LE-50 equipado con dos emisores independientes montados en dos ejes de traslación para el electrospinning simultáneo de las soluciones SPEEK y FAA-3. El equipo también incorporaba una unidad de control ambiental (ECU) para establecer y mantener con precisión las condiciones de temperatura y humedad requeridas durante el proceso.
Las membranas fabricadas se caracterizaron morfológicamente utilizando imágenes SEM (microscopía electrónica de barrido) y EDS (espectroscopia de rayos X de dispersión de energía). La caracterización de las propiedades electroquímicas se llevó a cabo utilizando una celda de prueba casera de cinco compartimentos que permitía medir la eficiencia de la corriente y el OCV (voltaje de circuito abierto).
Resultados
Los resultados obtenidos muestran que los BPM fabricados mediante electrospinning con unión 3D ofrecen un mayor rendimiento en el proceso de disociación del agua en comparación con los BPM con uniones laminadas 2D, ya que las uniones 3D entrelazadas ofrecen una mayor superficie de intercambio específica para la disociación. Por otro lado, los resultados también muestran que el uso de un catalizador polimérico como el P4VP mejora el rendimiento del proceso de disociación del agua debido al aumento del número de sitios activos adicionales para la reacción.
El aumento del rendimiento y la estabilidad en el proceso de disociación del agua que ofrecen los BPM 3D fabricados mediante electrohilado los convierte en candidatos ideales para aplicaciones como la desalinización, la producción de hidrógeno y el almacenamiento de energía.
Referencias:
ACS Appl. Materiales energéticos. 2021, 4, 3724-3736
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