Líquidos iônicos para dispositivos de geração de energia

Abstract

Esse trabalho descreve a síntese e a utilização de líquidos iônicos (LIs) próticos visando aumentar a eficiência de processos envolvidos na geração de energia alternativa. Mais especificamente eles foram empregados como eletrólitos para a produção de hidrogênio via eletrólise da água e como aditivos em membranas para uso em células a combustível. O presente documento aborda inicialmente a síntese de três LIs com diferentes cátions próticos combinados com o mesmo ânion HSO4, o hidrogenossulfato de imidazol (ImH.HSO4), hidrogenossulfato de metilimidazol (MImH.HSO4) e hidrogenossulfato de butilimidazol (BImH.HSO4) que foram avaliados como eletrólitos para a produção de hidrogênio via eletrólise ácida da água. Verificou-se que quanto maior a massa molar do cátion, menores são os valores de potencial de circuito aberto, maiores as correntes da eletrólise em um mesmo potencial, e menor a energia de ativação da reação de produção de H2. Em seguida, à membrana comercial Nafion foram adicionados LIs para aumentar a sua eficiência quando usada acima de 80 °C em uma célula a combustível, em condições de parcial desidratação da membrana. Para esta etapa foram sintetizados três LIs constituídos do mesmo cátion prótico TEA-PS+ e de ânions diferentes: o hidrogenossulfato de 3-trietilamônio-propanossultona (TEA-PS.HSO4), o tetrafluoroborato de 3-trietilamônio-propanossultona (TEA-PS.BF4) e o trifluorometanossulfonato de 3-trietilamônio-propanossultona (TEA-PS.CF3SO3). A 100 ºC, a membrana Nafion modificada com 5% em massa do LI TEA-PS.HSO4 preparada pelo método casting apresentou valores de densidade de corrente 295% maior quando comparada ao desempenho da membrana Nafion pura. Finalmente, foram preparadas membranas compósitas SPEEK/PBI como material alternativo de menor custo frente à membrana Nafion. Os resultados mostraram que a membrana que contem 10% em massa de PBI no polímero SPEEK e 5% em massa de TEA-PS.HSO4, obteve o melhor desempenho na descarga da célula a combustível evidenciando esse material compósito como promissor para aplicações em células a combustível de membranas trocadoras de prótons (PEMFC).

This work describes the synthesis and use of protic ionic liquids (LIs) protic to increase the efficiency of processes involved in the alternative energy generation. More specifically, they were used as electrolytes for the hydrogen production via the water electrolysis, and as additives in membranes used in fuel cells. This document initially addresses the synthesis of three ILs with different protic cations combined with the same HSO4- anion: the imidazole hydrogensulfate (ImH.HSO4), methylimidazole hydrogensulfate (MImH.HSO4), and butylimidazole hydrogensulfate (BImH.HSO4), which were evaluated as electrolytes for the hydrogen production via the water electrolysis. It was found that the higher the molar mass of the cation, the lower the open circuit potential values, the higher the electrolysis currents in the same potential, and the lower the activation energy of the H2 production reaction. Then, ILs were added to the commercial membrane Nafion, to increase its efficiency when used above 80 ° C in fuel cells at conditions of partial dehydration of the membrane. For this step, three ILs were synthesized consisting of the same protic cation TEA-PS+ and different anions: 3-triethylammonium-propanesultone hydrogensulfate (TEA-PS.HSO4), 3-triethylammonium-propanesultone tetrafluoroborate (TEA-PS.BF4) and 3-triethylammonium-propanesultone trifluoromethanesulfonate (TEA-PS.CF3SO3). At 100 ºC, the modified Nafion membrane with 5 wt.% of IL TEA-PS.HSO4, which was prepared by the casting method, showed values of current density 295% higher when compared to the performance of the pure Nafion membrane. Finally, SPEEK/PBI composite membranes were prepared as a lower-cost alternative material compared to the Nafion membrane. The membrane that contained 10 wt.% of PBI in the SPEEK polymer, and 5 wt.% of TEA-PS.HSO4 obtained the best performance in the fuel cell's discharge, showing that this composite material is promising for proton exchange membrane fuel (PEMFC) applications.