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Bipolar Membranes with 3D Electrospun Junction and Polymeric Catalyst for Energy applications: Hydrogen production…

El objetivo de este trabajo es investigar el uso de uniones de membrana 3D obtenidas mediante electrospinning para mejorar el proceso catalítico en membranas bipolares (BPMs) empleadas en procesos de disociación de agua. Para ello, se comparan membranas bipolares con uniones 2D fabricadas mediante laminado frente a uniones 3D entrelazadas fabricadas mediante electrospinning, empleando los mismos polímeros para la capa aniónica y catiónica. Además, se ha investigado el uso del polímero P4VP como catalizador de la reacción.

 

Introducción

Las membranas bipolares (BPMs, bipolar membranes) son un tipo de membrana que permiten el intercambio iónico. Las BPMs se emplean para disociar agua en multitud de procesos basados en electrodiálisis, obteniendo como resultado hidróxidos (OH) y protones (H+) a partir de una disolución neutra. Las aplicaciones industriales de las BPMs incluyen la producción y purificación de ácidos y bases, captura de CO2, baterías de flujo y pilas de combustible, entre otras.

Las BPMs están compuestas por dos capas adyacentes cargadas: una capa de intercambio aniónico (AEL, anion exchange layer) y una capa de intercambio catiónico (CEL, cation exchange layer) que se adhieren mediante diferentes técnicas. La superficie de contacto entre las dos capas de intercambio recibe el nombre de unión de membrana. Esta unión es generalmente bidimensional (2D), y es donde tiene lugar el proceso electrocatalítico de disociación del agua.

Las BPMs convencionales se fabrican alternando sucesivas capas de intercambio aniónico y catiónico, las cuales se unen mediante pegado o prensado a altas presiones y temperaturas. También se pueden fabricar BPMs fundiendo de manera controlada y secuencial las diferentes capas de intercambio aniónico y catiónico.

Las BPMs actuales presentan ciertas limitaciones, tales como una baja velocidad de disociación del agua y una pobre estabilidad en condiciones adversas. Para superar estas limitaciones, los autores de esta publicación proponen fabricar las uniones de membrana de las BPMs mediante electrospinning. En este caso, las nanofibras de los diferentes materiales poliméricos empleados en la capa aniónica y en la catiónica se depositan en la unión de la membrana para aumentar la región de contacto entre las capas de intercambio. Esto genera una estructura tridimensional (3D) entrelazada y abierta que facilita el transporte de agua dentro de la BPM, aumentando con ello el rendimiento del proceso de disociación. Además, también proponen el uso de catalizadores poliméricos, en concreto el P4VP.

 

Materiales y métodos

Para la fabricación de las membranas, se han empleado dos tipos distintos de polímeros. El polímero empleado como intercambiador catiónico ha sido el SPEEK (sulfonated poly(ether ether ketone)). Por su parte, el polímero empleado como intercambiador aniónico ha sido el FAA-3. En ambos casos, el disolvente empleado ha sido DMAc (dimethylacetamide). Por otro lado, existen diferentes catalizadores que se pueden emplear junto con la BPM para acelerar el proceso de disociación del agua. En este trabajo se ha investigado el uso del P4VP (poly(4-vinylpyrrolidine)) como catalizador, incorporándolo en la unión de la membrana de algunas de las BPMs fabricadas.

En concreto, en este trabajo de investigación se han fabricado 5 tipos distintos de BPMs:

  • 2 BPMs con unión 2D mediante laminación y prensado caliente: una sin catalizador, y la otra con P4VP electroestirado en la unión antes de la laminación.
  • 3 BPMs con unión 3D entrelazada mediante electroestirado y posterior prensado caliente: una sin catalizador, una con un 7.7% wt de P4VP en las fibras de FAA-3 en la unión, y otra con un 15% wt de P4VP en las fibras de FAA-3, tanto en la unión como en la AEL.

El equipo de electrospinning empleado para la fabricación de las BPMs con unión 3D ha sido una Fluidnatek LE-50 equipada con dos emisores independientes montados sobre sendos ejes de traslación para el electroestirado simultáneo de las disoluciones de SPEEK y FAA-3. El equipo incorporaba también una unidad de control ambiental (ECU, environmental control unit) para establecer y mantener de forma precisa las condiciones requeridas de temperatura y humedad durante el proceso.

Las membranas fabricadas se han caracterizado morfológicamente a través de imágenes SEM (scanning electron microscopy) y EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy). Por su parte, la caracterización de las propiedades electroquímicas se ha llevado a cabo empleando una celda de prueba homemade de cinco compartimentos que permitía medir la eficiencia de la corriente y el OCV (open-circuit voltage).

 

Resultados

Los resultados obtenidos muestran que las BPMs fabricadas mediante electrospinning con uniones 3D ofrecen un mayor rendimiento en el proceso de disociación del agua comparado con las BPMs con uniones 2D laminadas, ya que las uniones 3D entrelazadas ofrecen una mayor superficie específica de intercambio 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 incremento en el número de lugares activos adicionales para la reacción.

El mayor rendimiento y estabilidad en el proceso de disociación de agua que ofrecen la BPMs 3D fabricadas mediante electrospinning las convierten en candidatas ideales para aplicaciones tales como desalinización, producción de hidrógeno y almacenamiento de energía.

 

Referencias:

ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 3724-3736

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