Descriptores: PHPEUDQDGHLQWHUFDPELR SURWyQLFR HVWLUHQRpVWHUDFUtOLFR VXOIRQDFLyQ QDQRSDUWtFXODV GLy[LGRGHWLWDQLR Información del artículo: recibido: febrero de 2015, aceptado: mayo de 2015
Efecto de la sulfonación del estireno-éster acrílico sobre las
propiedades de las membranas de intercambio protónico
Effect of the Sulfonation of Styrene-Acrylic Ester on the Properties of Proton
Exchange Membranes
Realpe-Jiménez Álvaro
Universidad de Cartagena Facultad de Ingeniería Correo: [email protected]Maza-Puerta Yilmar
Universidad de Cartagena Facultad de Ingeniería Correo: [email protected]Acevedo-Morantes María Teresa
Universidad de Cartagena Facultad de Ingeniería Correo: [email protected]Herrera-Barros Adriana
Universidad de Cartagena Facultad de Ingeniería Correo: [email protected] ResumenEn este trabajo se estudió el efecto de la sulfonación de estireno-éster acrílico y adición de nanopartículas de dióxido de titanio sobre las membranas de ȱ àǯȱ ȱ àȱ ȱ £àȱ ęÇȱ ȱ ȱ membranas, tales como: la capacidad de absorción de agua, su capacidad de intercambio iónico, las propiedades mecánicas de tracción/deformación y ȱȱÇȱȱȱȱȱȱȱȱ -nas mediante análisis FTIR. La absorción de agua incrementa con el aumen-to del tiempo de reacción de la sulfonación y llega hasta 60.9% después de 8 horas de sulfonación; mientras la capacidad de intercambio iónico de las membranas cargada-sulfonada también aumenta con el tiempo de la reac-ción de sulfonareac-ción y con aumento de la carga de TiO2, alcanzando un valor ȱ Ŗǯřşȱ Ȧȱ ȱ Şȱ ȱ¢ȱ ȱ ȱŚƖȱ ȱ 2. Se àȱȱȱȱȱȱȱ£ȱȱàȱȱ el crecimiento del tiempo de reacción y disminuyó con la adición de la car-ǯȱȱȱȱȱęÇȱȱȱȱ
Introducción
Hoy en día, la energía se ha convertido en uno de los asuntos con mayor interés a nivel mundial. En un mun-ȱȱȱȱȱ·ǰȱȱø -da de producción y necesi-dad de suministro se con- vierten en premisas fundamentales a la hora de crear una política energética.
ȱ ȱ ęȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ Çȱ limpia y renovable, además de reducir nuestra depen-dencia de los combustibles fósiles para evitar el calenta-miento global, se estudian las celdas de combustible de membranas de intercambio protónico (PEM-FC), como una alternativa para el desarrollo de tecnologías sostenibles (Chen et al., 2013; Kim y Nam, 2013), debido a las venta-ȱȱȱȱàǰȱȱȱȱȱȱ ·ȱÇǰȱȱȱȱȱȱȱ subproductos (agua) y la recuperación de calor residual (Treekamol et al.,ȱ ŘŖŗŚǼǯȱ ȱ ȱ ȱ Çȱ·ȱȱàȱȱȱÇȱÇ -ȱȱ·ȱȱȱȱȱȱÇ -cas de gases de alimentación (por ejemplo, hidrógeno) (Jiang et al., 2013; Zhang et al., 2012). Actualmente se exploran para una amplia gama de aplicaciones en energía estacionaria, de automoción y portátil.
La membrana de intercambio protónicoȱǻǼǰȱȱȱ un componente fundamental de la PEMFC, actúa como ȱȱàȱȱȱȱȱ -Çȱȱȱȱȱ¤ȱȱȱ¤ȱ¢ȱ -ceversa (Dai et al., 2008; Park et al., 2012; Wang et al.,
2012). Estas membranas deben ser buenas conductoras de protones, poseer buena resistencia mecánica, estabi-lidad dimensional y una larga vida útil (Seol et al., ŘŖŗŘǼǯȱ ȱ ȱ ȱ ¤ȱ àȱ Ě -ȱȱȱęțȱȱȱ£ȱȱ
ȱǰȱȱȱȱȱȱȱ àȱȱ¢ȱȱȱÇǯȱȱ -go, existen inconvenientes como alta permeabilidad de metanol, baja temperatura de operación, mala adheren-cia entre la membrana y los electrodos y alto costo de àǰȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ (Cozzi et al.,ȱŘŖŗŚDzȱȱ¢ȱǰȱŘŖŗřǼǯ
Por lo anterior, un gran número de polímeros aro-máticos sulfonados y sus derivados, así como mezclas entre ellos, se han desarrollado como alternativas para sintetizar membranas de intercambio protónico (Liao et al., 2013). Jetsrisuparb y colaboradores (2013) prepara-ron membranas de intercambio protónico a partir del injerto de estireno sulfonado y co-monómeros de meta acrilonitrilo y acrilonitrilo en una matriz parcialmente Ěǰȱȱȱȱȱȱȱȱȱ -bustible, donde presentaron buena estabilidad dimen-sional y resistencia mecánica al mostrar la membrana ȱȱ¢ȱǰȱȱ¡àȱȱ -dos. Suryani et al., (2012), prepararon una membrana de intercambio protónico a partir de polibenzimidazol ȱÇȱȱÇȱȱÇǰȱȱȱ mejoraron las propiedades mecánicas de la membrana e incrementaron su conductividad protónica. Como consecuencia, la membrana presentó un mejor rendi-miento en una celda de combustible.
El objetivo del presente trabajo es sintetizar y carac-£ȱȱȱÇȬÇȱȱȱ de intercambio protónico obtenidas a partir de la resina estireno-éster acrílico mediante reacciones de sulfo- nación a diferentes tiempos y adición de carga inor- gánica de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2), ȱȱȱȱȱȱŗȱ¢ȱŚƖǰȱȱȱàȱȱ evaluar su capacidad de retención de agua, intercambio àǰȱȱ¤ȱ¢ȱȱÇȱ -Abstract
ȱȱ ȱ ȱȱȱěȱȱȱȱ¢Ȭ¢ȱȱȱȱȬ
nium dioxide nanoparticles on the proton exchange membranes. It was evaluated the
¢ȱ£ȱȱǰȱȱǰȱȱ ȱȱ¢ǰȱ ȱ ¡ȱ ¢ǰȱ ȱ ȱ ȱ ȱ Ȧǰȱ ȱ ȱ ȱ ȱȱȱȱȱȱȱ¢ȱȱ¢ǯȱȱȬ ȱȱ ȱȱȱȱȱȱǰȱȱŜŖǯşƖȱȱ ŞȱȱȱDzȱ ǰȱȱ¡ȱ¢ȱȱȬȱȱ ȱ ȱȱȱȱȱȱȱȱ ȱȱȱ 2ȱǰȱȱŖǯřşȱȦȱȱŞȱȱȱŚƖȱ2. It was observed that the
¢ȱȱȱ¢£ȱȱȱ ȱȱȱȱȱȬ ȱǰȱȱȱȱ ȱȱȱȱȱ2ȱǯȱȱ¢Ȭ
ȱ ¢ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱȱȱȱȱǯȱ
Keywords:
proton exchange membrane
styrene-acrylic ester sulfonation
nanoparticles
cionales presentes en la estructura de la membrana, a ·ȱȱȱȱǰȱȱȱęȱȱ -luar el uso potencial en aplicaciones de celdas de com-bustible.
Materiales y métodos
El copolímero empleado para el desarrollo de esta in-vestigación fue estireno-éster acrílico (distribuido por ȱȱǰȱȱȱȱȱțȱǼǯȱ Las nanopartículas de dióxido de titanio se sintetizaron siguiendo la metodología reportada por Martínez y Re-yes (2013) a partir de la reducción de una solución de isopropóxido de titanio IV (5.0 mM) usando un extracto acuoso obtenido a partir de la planta herbácea hierba limón. Después de sintetizadas las nanopartículas, se sometieron a un tratamiento térmico de 550°C durante řȱǰȱȱȱȱȱĚȱȱàǯȱȱ la preparación de las membranas se emplearon los reac-tivos anhídrido acético, ácido sulfúrico, ácido clorhídri-co, hidróxido de sodio, estireno y metanol; la carac- terización se reporta por Martínez y Reyes (2013).
ȱ ȱ àȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ęȱ (muestra SM), inicialmente se disolvieron 10 g de la re-ȱȱŚŖȱȱȱȱȱȱŚŖo
C, bajo agitación magnética durante 5 min. Luego se vertió esta solución en cajas Petri para la formación de las películas con un espesor promedio de 1.23 mm. En el caso de la prepara-ción de las membranas cargadas con nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2ǼȱǻȱȬŗȱ¢ȱȬŚǼǰȱȱ -dió a adicionar las nanopartículas en la solución acuosa formada con la resina, hasta obtener proporciones de 1 ¢ȱŚƖȱȦȱÇȦǯȱȱ
El agente sulfonante se preparó a partir de una solu-ción de sulfato de acetilo, la cual se obtuvo disolviendo ŚǯŝȱȱȱÇȱ·ȱȱŗŖŖȱȱȱȱ -da, usando para esto un baño de hielo. A esta solución ȱȱȱŘǯŝȱȱȱ¤ȱøȱ¢ȱȱàȱ -cionando durante 10 minutos. Para la preparación de las membranas sulfonadas, se disolvieron 10 g de la re-sina estireno-éster acrílico en 100 mL de agua destilada durante 15 minutos usando un balón de fondo plano, después se adicionó gota a gota la solución de agente sulfonante para llevar la reacción de sulfonación duran-ȱÇȱȱȱȱŘǰȱřǰȱŚǰȱśǰȱ¢ȱŞȱȱǻȱ ŘǰȱřǰȱŚǰȱśȱ¢ȱŞǼǯȱȱȱȱȱȱàǰȱȱ detuvo la reacción adicionando 100 mL de metanol, tras ȱȱȱÇȱȱęàǰȱàȱ¢ȱȱàȱȱ -no para vertirse en cajas Petri, donde se evaporó el sol-vente y se formó la película.
Para obtener membranas sulfonadas y cargadas con nanopartículas de dióxido de titanio (muestras SC), se
àȱȱȱȱÇȱǻŗȱ¢ȱŚȱƖȱȦǼȱ·ȱ del proceso de sulfonación de la resina y disolución en estireno, tal como se describió en el párrafo anterior. Posteriormente se dejó homogenizar la mezcla y se ver-tió en cajas Petri para la formación de las membranas (Realpe et al.,ȱŘŖŗŚǼǯ
Caracterización de las membranas &DSDFLGDGGHUHWHQFLyQGHDJXD
Cada tipo de membrana se dividió en tres secciones de 2 cm × 2 cm, se secaron en un horno a 35°C por una hora para eliminar el exceso de humedad (Park et al., 2012), luego se determinó el peso en seco y se sumergió cada ȱȱśŖȱȱȱȱȱȱŘŚȱǯȱ -do este tiempo cada muestra se extrajo, se removió el ȱ ęȱ ȱ ȱ ȱ ¢ȱ ȱ àȱ ȱ ȱ øȱ ǻǰȱ ŘŖŖŝǼǯȱ ȱ ȱ ȱ ȱ peso húmedo y seco proporcionó la capacidad de reten-àȱȱȱȱȱàȱȱȱȱ -ción (Wang et al., 2010)
u 100 (1)
&DSDFLGDGGHLQWHUFDPELRLyQLFR
Tres muestras de 2 cm × 2 cm de cada membrana prepa-ȱȱȱȱŘŚȱȱȱȱàȱ preparada al 1M con ácido clorhídrico. Pasado el tiem-po, se extrajeron las muestras y se agregaron a una so-àȱ ŗȱ ȱ ȱ ȱ ŘŚȱ ǯȱ ȱ ȱ extrajeron las membranas y se titularon la soluciones con 0.01M de NaOH. La capacidad de intercambio ióni-co se calculó mediante la siguiente ecuación
(2) donde
V = volumen
Naȱȱ = agregado para neutralizar la solución
M = concentración de NaOH
= peso de la muestra seca 3URSLHGDGHVPHFiQLFDV
Las propiedades mecánicas de la membrana, como la resistencia a la tracción, esfuerzo y deformación se cal-ȱȱȱ¤ȱȱȱ¢ȱȬȱȱ
% Retención = peso húmedo peso seco
peso seco V M IEC § · u ¨ ¸ © ¹
Shimadzu, a una velocidad constante de 250 mm/min, ȱȱȱȱşŚŘǯȱȱÛȱȱȱȱ empleada fue 5 cm x 5 cm y espesor de aproximada-mente 1.23 mm.
(VSHFWURVFRStDGHLQIUDUURMR
Se realizó un análisis de espectroscopía infrarroja de las ȱȱęǰȱǰȱȱřȱ¢ȱ -ȱŞǰȱȱęȱȱ·¡ȱȱȱȱȱȱ -ȱ ȱ ęàǯȱ ȱ ǰȱ ȱ àȱ ȱ Ȭ fotómetro de transformada de Fourier de referencia Ni-ȱ ŜŝŖŖǰȱ ȱ ȱ ȱ ȱ àȱ ȱ ȱ ȱ ȱȱŚŖŖŖȱȱŚŖŖȱ-1 . Resultados y discusión &DSDFLGDGGHLQWHUFDPELRLyQLFR\UHWHQFLyQ GHDJXD
Los resultados para las pruebas de retención de agua e intercambio iónico de todas las membranas sintetiza-ȱȱȱȱȱęȱŗȱ¢ȱŘǰȱǯȱ Todas las membranas preparadas presentaron mayores valores en propiedades de retención de agua e inter-cambio iónico en comparación con la membrana sin ęǯȱȱȱàȱȱȱȱŗŜǯŗƖȱȱȱ -ȱȱęȱęȱȱȱȱ¡ȱȱ impermeabilización, característica atribuida además de la naturaleza del material, por el contenido de sólidos presentes (50% p/p) (Recol SAS, 2011).
Para una transferencia de protones óptima en la ǰȱȱȱȱȱȱȱȱȱ operación en una celda de combustible, de allí la impor-tancia de tener membranas con alta capacidad de ab-àȱȱȱǻȱet al.,ȱŘŖŗřǼǯȱȱęȱŗȱȱȱ aumento de la retención de agua con la adición de la ȱȱàȱȱȱȱȱęǰȱ debido a la presencia del grupo inorgánico hidrofílico de TiO2 en la estructura polimérica (Mohammadi et al., 2012). También se observó una clara dependencia de esta propiedad con el tiempo de sulfonación, pasando de 21.8% para las membranas sulfonadas durante 2h hasta 60.9% para las membranas sulfonadas por un pe-ríodo de tiempo de hasta 8h. Esto puede atribuirse a ǰȱȱ¢ȱȱȱàǰȱȱàȱȱ una mayor cantidad de grupos sulfónicos en la cadena principal del polímero, lo cual permite exhibir una ca-racterística hidrofílica más favorable para la captación de agua (Bose et al., 2011; Méndez y Toscano, 2013).
La interacción sulfonación-carga disminuye ligera-mente la retención de agua con el aumento en el
por-ȱ ǰȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ęȬ ȱȱȱȱÇȱȱ2 (18 ± 6 nm) dentro de la resina, acompañado de los grupos sul-àȱȱȱȱǰȱȱȱȱȱ -àȱȱȱȱȱȱȱàȱȱ agua (Samberan et al., 2013). Resultados similares se muestran por Devrim et al.ȱǻŘŖŖşǼǰȱȱȱȱ reducción en la retención de agua al sulfonar y cargar con TiO2 una muestra de polisulfona, en comparación con los valores obtenidos para este mismo material solo sulfonado, bajo las mismas condiciones de sulfonación.
ȱȱǰȱȱęȱŘȱȱàȱȱ -dad de intercambio iónico (IEC) se favorece por el tiem-po sulfonación y, a su vez, tiem-por la adición de carga al polímero sulfonado, como consecuencia del aumento ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ protones. Esta transferencia de protones en una mem-brana de intercambio se presenta por medio de dos me-canismos simultáneos o con dominio de uno sobre el ǰȱȱȱȱȱȱȱ Ĵǰȱȱȱȱ los protones saltan de un sitio donador H+
hacia la mo-lécula de agua más cercana para formar un complejo H3O
+
, el segundo es el mecanismo vehicular donde los ȱȱęȱȱ·ȱȱȱȱ¡ -los (Mendez y Toscano, 2013).
Para el caso de las membranas solo cargadas a 1 y ŚƖȱ ȱ ȱ ȱ Çȱ ȱ 2 los valores de ȱȱȱǻŖǯŗȱ¢ȱŖǯŗŞȱȦǰȱǼȱȱ -sar de presentar una alta captación de agua, esto se debe a la reducción del volumen libre dentro de la es-ǰȱȱȱęȱȱȱȱȱǯȱȱȱ aumenta con el tiempo de sulfonación y carga, como consecuencia de la presencia de los grupos sulfónicos ȱȱȱȱȱȱàȱ -dos negativamente por volumen de las membranas, lo ȱȱȱ¤ȱȱȱȱǻŖǯřşȱȦȱȱ
)LJXUD&DSDFLGDGGHUHWHQFLyQGHDJXD60PHPEUDQDVLQ PRGLILFDU&PHPEUDQDFDUJDGDDOSRUFHQWDMHLQGLFDGR 6PHPEUDQDVXOIRQDGDDOWLHPSRLQGLFDGR6PHPEUDQD VXOIRQDGDDOWLHPSR\FDUJDLQGLFDGR
ȱȱȱŞȱ¢ȱȱŚƖǼȱǻȱet al., 2013). Resultados similares se presentaron por Mén-dez y Toscano (2013) para las mismas condiciones de sulfonación del material y un tiempo de 3h con un valor ȱŖǯŘŚȱȦȱ¢ȱŖǯŘŝȱȦȱȱȱȱ -nadas cargadas solo con TiO2.
3URSLHGDGHVPHFiQLFDV
La resistencia mecánica de la membrana de intercam-bio protónico es un parámetro importante a la hora de ȱàǰȱȱȱȱȱȱȱȱ de montaje bajo presión y evita la formación de arru-gas, excluyendo las diferencias de grosor y la mala ad-herencia (Tsai et al.,ȱŘŖŗřǼǯȱ¤ǰȱȱȱȱ ȱȱȱȱȱęȱȱȱ para manipularse durante el procesamiento.
También afectarán la durabilidad del funcionamien-ȱȱȱǰȱȱȱȱȱÇȱȱȱȱ -nes térmicas inducidas, especialmente durante la àȱȱȦȱǻȱet al.,ȱŘŖŗŚǼǯȱȱ ȱ ȱ Ěȱ ȱ ȱ àȱ ȱ ȱ -piedades mecánicas de las membranas, se realizaron ensayos de tracción-deformación a cada una de las muestras sintetizadas y se compararon con valores ob-ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ęȱ ȱ ŘŗŗȬŗŖǯȱȱȱȱȱȱȱęȱřȱ¢ȱŚǰȱ donde se marca el comportamiento de estas propieda-des para algunas de las muestras preparadas.
ȱęȱřȱȱȱȱȱȱàȱ mejora la resistencia mecánica de la membrana de 2.15 ȱȱȱȱȱęȱȱŘǯşŞȱǰȱȱ la muestra sulfonada 3h, producto de la unión de los ȱ àȱ ȱ ȱ ȱ ȱ Çȱ ȱ ȱ atribuye mayor resistencia mecánica (Kim et al., 2008). Además, las fuertes interacciones iónicas de los grupos
sulfónicos aumentaron la rigidez de los enlaces entre las cadenas mole-ȱǻȱ¢ȱǰȱŘŖŗŖǼǯȱȱȱ mayor tiempo de sulfonación (8h) comienza una reducción de la resis-tencia a la tracción, por efecto de la ȱàȱȱȱȱ -ȱȱǰȱȱȱ -ȱ ȱ øȱ ȱ ęȱ dentro de la matriz polimérica.
Una buena resistencia mecánica mejorará la durabilidad de toda la membrana, y por ende la hace más factible para utilizarse como electro-lito en una celda de combustible, con ȱęȱȱ£ȱȱȱȱ la misma (Wang et al.,ȱŘŖŗřǼǯȱȱęȱŚȱȱȱȱ de la carga en las propiedades mecánicas de las muestras sintetizadas. Un aumento en el porcentaje de nanopartí-culas de TiO2 mejora la resistencia de la membrana, con ȱ ȱ ȱ řǯŝŞȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ řȱ ȱŚƖȱȱȱȱȱȱȱŘǯşŞȱȱȱȱȱ sulfonada 3h.
Por otra parte, las membranas solo cargadas a 1 y ŚƖȱ ȱ ȱ ȱ ¤ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ¢ȱ ǻŖǯŞȱ ¢ȱ ŗǯŗŝȱ ǰȱ Ǽǰȱ ȱ ȱ ȱȱȱȱȱàȱȱȱȱ ȱ ȱ ǰȱ ¢ȱ ȱ ȱ ȱ -miento de la misma reduciendo su resistencia a la trac-ción. Resultados similares se obtuvieron en otros es- tudios donde la membrana operó sin problemas mecá-ȱȱȱȱȱǯȱȱ¢ȱ -)LJXUD&DSDFLGDGGHLQWHUFDPELRLyQLFR60PHPEUDQDVLQPRGLILFDU& PHPEUDQDFDUJDGDDOSRUFHQWDMHLQGLFDGR6PHPEUDQDVXOIRQDGDDOWLHPSRLQGLFDGR 6PHPEUDQDVXOIRQDGDDOWLHPSR\FDUJDLQGLFDGR )LJXUD(IHFWRGHODVXOIRQDFLyQHQHOFRPSRUWDPLHQWRWHQVLyQ YVGHIRUPDFLyQ60PHPEUDQDVLQPRGLILFDU6PHPEUDQD VXOIRQDGDDOWLHPSRLQGLFDGR
ȱ ǻȱ et al.,ȱ ŘŖŗŚǼǰȱ ȱ ȱ ȱ intercambio protónico a partir de polibenzimidazol do-padas con ácido, las cuales redujeron sus propiedades mecánicas al incrementar la carga de ácido de 81 MPa a ŚǯŚȱǰȱȱǰȱȱȱøȱ -niente en una celda de combustible. Por lo anterior, las membranas obtenidas a partir de estireno-éster acrílico mediante reacciones de sulfonación y adición de nano- partículas de TiO2 como carga inorgánica, tienen alto po-tencial para su uso en celdas de combustible sin presentar inconvenientes mecánicos durante su operación.
(VSHFWURVFRStDLQIUDUURMD
ȱ ȱ Çȱ ȱ ȱ ȱ ȱ àȱ ȱǯȱȱȱęȱśȱȱȱȱȱ ȱȱȱȱȱȱȱȱśŖŖȬŚŖŖŖȱ-1
.
El espectro FTIR de las muestras presenta picos carac-ÇȱȱÇȱȱȱǯȱȱ ȱȱȱȱŗŝŘŖȱ-1
se encuentra el estiramiento de los grupos carbonilos (=C-O), 1620 cm-1
la presencia ȱȱȱȱȱ·ȱȱ£ȱȱ -na empleada, 1550 cm-1
a 1600 cm-1
los picos propios de los dobles enlaces entre carbonos (C=C) presentes ȱȱȱ¤ǰȱŗŚŖŖȱ¢ȱŗŖśŖȱȬŗȱȱ -yen a las vibraciones de estiramiento y deformación de los enlaces sencillos carbono y oxigeno (C-O) (Jiang
et al., 2013). En adición se observaron vibraciones en ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ŝśşȱ ¢ȱ Ŝşŝȱ -1
, las cuales pueden asociarse al grupo benceno presente en las unidades de estireno del copolímero, donde la vibra-àȱȱŝśşȱ-1
puede atribuirse a la mono sustitución ȱȱ¢ȱȱȱȱŜşŝȱ-1
puede deberse a la deformación del anillo bencénico fuera del plano (Méndez y Toscano, 2013).
Al contrastar los diferentes espectros para cada una de las muestras de membranas sulfonadas se observa-ron bandas de absorción a 1125 cm-1
y 1200 cm-1 ȱȱȱ asignan a los picos de vibración simétrica y asimétrica de los grupos sulfónicos presentes en la estructura del Çȱęȱǻȱet al.,ȱŘŖŗŚǼǰȱȱȱ¤ȱȬ nificativa para la membrana sulfonada por un período de tiempo de 8h. Por otra parte, La absorbancia débil a 1355 cm-1
también se asigna a la tensión asimétrica de grupos de ácido sulfónico (Won et al., 2012) lo cual con-ęȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ Ȯ3H dentro de las membranas sulfonadas.
En el caso de las muestras con adición de nanopartí-culas de TiO2 como carga inorgánica no exhibieron un pico característico alrededor de las bandas de los 550-ŚśŖȱ-1
(Hernández et al., 2008). Lo anterior probable-mente fue producto de la dispersión del material dentro de la matriz polimérica como un relleno, alojándose en ȱęȱȱȱȱȱøȱȱȱ -àȱÇȱǻȱet al.,ȱŘŖŖŝǼǯ
Conclusiones
ȱ£àȱȱ£àȱȱȱȱę -Çȱȱȱȱȱȱàǰȱ sintetizada a partir del copolímero de estireno-éster acrílico. El incremento del tiempo sulfonación y la adi-ción de carga incrementan la capacidad de retenadi-ción de agua de las membranas, debido a la inserción de la car-ga inorgánica y a los grupos sulfónicos dentro de la es-ǰȱȱȱȱȱàęȱȱ la captación de agua. Por el contrario, la interacción sulfonación-carga de las membranas reduce parcial-ȱȱàȱȱȱȱȱęȱ )LJXUD(VSHFWURLQIUDUURMRGHODVPHPEUDQDVHVWXGLDGDVD PHPEUDQDVLQPRGLILFDUEPHPEUDQDFDUJDGDFPHPEUDQD VXOIRQDGDKGPHPEUDQDVXOIRQDGDK )LJXUD(IHFWRGHODFDUJDLQRUJiQLFDHQHOFRPSRUWDPLHQWR WHQVLyQvsGHIRUPDFLyQ60PHPEUDQDVLQPRGLILFDU6 PHPEUDQDVXOIRQDGDDOWLHPSRLQGLFDGR6PHPEUDQD VXOIRQDGDDOWLHPSR\FDUJDLQGLFDGD
de las nanopartículas de TiO2ǰȱȱȱȱȱ ǯȱ ȱ ȱ ǰȱ ȱ ęȱ £ȱ ȱ las membranas (tiempo de sulfonación, adición de car-ȱ¢ȱàȮǼȱȱȱȱȱ -tercambio iónico de las membranas respecto a la mem- ȱȱęǰȱȱȱȱȱȱ -mento de los grupos activos para la transferencia de protones producto de la adición de los grupos sulfóni-cos y carga de TiO2.
Las propiedades mecánicas de tensión-deformación de la membrana incrementaron con el aumento del tiempo de sulfonación y adición de carga como conse-ȱȱȱȱÇȱȱȱȱ sulfónicos y las nanopartículas de TiO2 con los enlaces del copolímero, lo cual le produce mayor rigidez. Asi-mismo, a tiempos de sulfonación muy altos se reduce drásticamente su resistencia por la alta adsorción de ȱȱøȱȱęȱȱȱȱ£ȱ ·ǯȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ membranas preparadas con el copolímero estireno-és-ter acrílico tienen un alto potencial para aplicaciones como electrolito de intercambio de protones en celdas de combustible.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Departamento de Ciencia, Tecnología e Innovación de Colombia (Colciencias) por ȱęȱȱ¢ǰȱȱȱȱà -nes Investigadores e Innovadores 2012-2013. Asimis-mo, un agradecimiento especial a la ingeniera Ana Milena Reyes-Ramos por su colaboración en la síntesis de las nanopartículas de TiO2.
Referencias
Bose S., Kuila T., Nguyen T.X., Kim N.H., Lau K.T., Hee J. Polymer membranes for high temperature proton exchange membrane fuel cell: Recent advances and challenges. Membrane Science, ȱřŜǰȱǻøȱŜǼǰȱŘŖŗŗDZȱŞŗřȬŞŚřǯ
Cabrera J., Paredes C., Urday E., Santiago J. Preparación y caracte-rización de películas de alcohol polivinílco conteniendo nano-partículas de TiO2. ȱ ȱ ȱ Ç,
ȱŞȱǻøȱŚǼǰȱŘŖŖŝDZȱřŘřȱȬȱřřŘǯ
Chen B. et al. Proton conductivity and fuel cell performance of organic e inorganic hybrid membrane based on poly (methyl methacrylate)/silica. ¢ȱ ¢, volumen 38, 2013 ŝşŗřȬŝşŘřǯ
Cozzi D., De Bonis C., D´Epifanio A., Mecheri B., Tavares A.C., ȱǯȱ¢ȱ£ȱȱ¡Ȧęȱ composite proton exchange membranes for fuel cells applica-tions. ȱǰȱȱŘŚŞǰȱŘŖŗŚDZȱŗŗŘŝȬŗŗřŘǯ
ȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯȱȱȱȱȱ performance of proton exchange membranes prepared from ȱ¢ȱǻęȱǼǯȱ ȱǰȱvolumen 185 (número 1), 2008: 19-25.
ȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯȱȱȱȱ-zation of sulfonated polysulfone/titanium dioxide composite membranes for proton exchange membrane fuel cells. ¢Ȭ ȱ¢ǰȱȱřŚȱǻøȱŞǼǰȱŘŖŖşDZȱřŚŜŝȬřŚŝśǯ
Hernández J.M., Garcia L.A., Zeifert B.H., Garcia R., Zermeño B.B., Del Angel T., Cueto A. Síntesis y caracterización de nano-partículas de N-TiO2 -Anatasa. ęȱ¢ȱÇǰȱȱŘŚȱ
ǻøȱŚǼǰȱŘŖŖŞDZȱŗȬśǯȱ
ȱǯǰȱȬȱǯǰȱȱǯǰȱ ȱǯȱȱ grafted membranes for fuel cells containing styrene sulfonic acid and nitrile comonomers. Membrane Science, ȱŚśŖǰȱ ŘŖŗřDZȱŘŞȬřŝǯ
ȱ ǯǰȱ ȱ ǯǰȱ ȱ ǯǰȱ Ĵȱ ǯȱ Ě¢ȱ ȱ¢ȱǻ¢ȱĚǼȱȱȱȱǯȱ
Electrochimica Acta, volumen, 110, 2013: 306-315.
Jiang Z., Zhao X., Manthiram A. Sulfonated poly (ether ether keto- Ǽȱȱ ȱȱȱ¡ȱęȱȱ-rect methanol fuel cells. ¢ȱ ¢, volumen 38 ǻøȱŗŚǼǰȱŘŖŗřDZȱśŞŝśȬśŞŞŚǯ
Kim B.N., Lee D.H., Han D.H. Thermal, mechanical and electrical ȱȱȱ¢Ȭȱȱ¢ȱ-ȱȱęȱȱ¢ȱȱǯȱ¢ȱȱ
ȱ¢ǰȱȱşřȱǻøȱŜǼǰȱŘŖŖŞDZȱŗŚȬŘŗǯ
ȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯȱȱ¢ȱǻ¢ȱȱ-ne) membranes blended with hydrophobic polymers for di-rect methanol fuel cell applications. ¢ȱ¢ǰȱvolumen 30 (número 30), 2013: 1-9.
Li J., Wang J., Chen X., Lv Z., Chen T., Wang T. A highly conducti-ve proton exchange membrane for high temperature fuel cells based on poly (5-vinyl tetrazole) and sulfonated polystyrene.
Solid State IonicsǰȱȱŘśśǰȱŘŖŗŚDZȱŗŘŞȬŗřŚǯ
ȱǯǰȱȱǯǰȱȱ ǯǰȱȱǯȱȱȱȱ poly (phthalazinone ether phosphine oxides) for proton ex-change membranes. Membrane Science, ȱŚŚŝǰȱŘŖŗřDZȱŚřȬ Śşǯ
ȱǯǯǰȱȱǯǯȱęȦ¢ȱ ǻ¢ǼȱȬęȱ-ȱ ȱ ęȦ¢ȱ ǻ¢Ǽȱ ȱ ȱ ȱ direct methanol fuel cells. Membrane Scienceǰȱ ȱ ŚśŘǰȱ 2013: 253-262.
Méndez N.P., Toscano E.A. Evaluación de una membrana de interȬ ȱàȱȱȱȱȱÇȱȱ·ȱÇȱ¢ȱ
estireno para su aplicación en una celda de combustible, tesis
(pre- ȱÇȱÇǼǰȱǰȱȱȱ-gena, 2013.
Mohammadi G.H., Jahanshahi M., Rahimpour A. Fabrication and ȱ ȱ ęȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ZrO2-TiO2 binary nanoparticles as fuel cell MEA. ¢ȱ ¢ǰȱȱřŞȱǻøȱŘŘǼǰȱŘŖŗŘDZȱşřŞŝȬşřşŚǯ
ȱ ǯǯǰȱ ȱ ǯǯǰȱ ȱ ǯǰȱ ȱ ǯǯǰȱ ȱ ǯǯȱ ȱ sulfonated poly (arylene ether sulfone) membranes for fuel cell application. ¢ȱ ¢ǰȱ ȱ řŝȱ ǻøȱ řǼǰȱ
2012: 2603-2623.
Realpe A., Romero K., Acevedo M. Síntesis de membranas de inter-cambio protónico a partir de mezcla de poliéster insaturado y látex natural, para su uso en celdas de combustible. àȱ à, volumen 26 (número 1), 2015: en prensa.
Realpe A., Mendez N., Acevedo M. Proton exchange membrane from the blend of copolymers of vinyl acetate-acrylic ester and styrene-acrylic ester for power generation using fuel cell.
ȱȱȱȱȱ¢, volumen 6 ǻøȱśǼǰȱŘŖŗŚDZȱŘŚřśȬŘŚŚŖ Martínez S., Reyes A. ÇȱȱÇȱ·ȱęȬ ȱȱ2ȱȱȱàȱȱȱȱȱ, ȱ ǻȱ Çȱ ÇǼǰȱ ǰȱ ȱ de Cartagena, 2013, p. 83. ȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱ ěȱǯǯǰȱȱǯȱ-ȱȱȱěȱȱȬęȱ¢ȱȱȱ cell performance of sulfonated aromatic proton exchange membranes. ¢ȱ¢ǰȱvolumen 38 (número 32), 2013: ŗŚŖŝŜȬȱŗŚŖŞŚǯ
ȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯȱŘȱȱ nanoporous substrate-reinforced sulfonated poly (arylene ether sulfone) composite membranes for proton exchange membrane fuel cells. ¢ȱ¢ǰȱȱřŝȱǻøȱ
ŝǼǰȱŘŖŗŘDZȱŜŗŞşȬŜŗşŞǯ
Shahi V. Highly charged proton-exchange membrane: Sulfonated poly (ether sulfone) silica polyelectrolyte composite membra-nes for fuel cells. Solid State IonicsǰȱȱŗŝŝȱǻøȱřşȬ ŚŖǼǰȱŘŖŖŝDZȱřřşśȬřŚŖŚǯ
¢Ȭȱ ǯǯǰȱ ȱ ǯǯǰȱ ȱ ǯǯȱ ¢££ȱ ǻǼȬ £ȱȱȱęȱȱ-site membranes for proton exchange membranes fuel cells.
Membrane ScienceǰȱȱŚŖřȬŚŖŚǰȱŘŖŗŘDZȱŗȬŝǯ
ȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱ Shi Z. et alǯȱ ęțȦȬȱ ȱ ȱ ȱ medium temperatura proton exchange membrane fuel cells.
ȱǰȱȱŘŚŜǰȱŘŖŗŚDZȱşśŖȬşśşǯ
ȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱ ȱ ǯǯȱ ¢ȱ ǻ¢ȱ ¢Ǽȱ ęȱ ȱ -bon for high performance proton exchange membrane fuel cells. ¢ȱ ¢ǰȱvolumen 38 (número 26), 2013: 11331-11339.
ȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯȱȱ proton conduction and methanol barrier performance of sul-fonated poly (ether ether ketone) membrane by incorporated polymer carboxylic acid spheres. Membrane Science, volumen řŜŚȱǻøȱŗȬŘǼǰȱŘŖŗŖDZȱŘśřȬŘŜŘǯȱ
ȱǯǰȱȱǯ ǯǰȱȱǯǯȱȦęȦ2 hybrid
mem-brane for high-temperature low-humidity fuel cell applica-tions. Electrochimica ActaǰȱȱŗŖśǰȱŘŖŗřDZȱśřŖȬśřŚǯ Wang Z., Tang H., Zhang H., Lei M., Chen R, Xiao P. et al.
Synthe-ȱȱęȦ2 hybrid for chemically durable proton
ex-change membrane of fuel cell. Membrane Science, volumen ŚŘŗȬŚŘŘǰȱŘŖŗŘDZȱŘŖŗȬŘŗŖǯ
ȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯȱȱȬ 15 mesoporous silica-incorporated sulfonated poly (phenyl-sulfone) composite membranes for low-humidity proton exchange membrane fuel cells: Anomalous behavior of humi-dity-dependent proton conductivity. ¢ȱ ¢, volu-ȱřŝǰȱŘŖŗŘDZȱşŘŖŘȬşŘŗŗǯ
ȱǯǯǰȱȱǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯǯǰȱȱǯȱȱȱ-ted poly (arylene ether sulfone)/electrospun nonwoven polya-crylonitrile composite membrane for proton exchange membrane fuel cells. Membrane Science, ȱ ŚŚŜǰȱ ŘŖŗřDZȱ 212-219.
ȱǯǰȱ ȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯǰȱȱǯȱ¢ȱǻȱ£-midazoles) for high temperature polymer electrolyte mem-brane fuel cells. Membrane ScienceǰȱȱŚśŚǰȱŘŖŗŚDZȱřśŗȬřśŞǯ ȱ ǯǰȱ ȱ ǯȱ ¢ȱ ȱ ȱ ȱ ȬȬȱ
copolymers as proton exchange membranes for fuel cell application. Membrane Science, volumen 351 (números 1-2), 2012: 28-35.
Zhang L., Chae S. R., Hendren Z., Park J.S., Wiesner M.R. Recent advances in proton exchange membranes for fuel cell appli-cations. Chemical Engineering JournalǰȱȱŘŖŚȬŘŖŜǰȱŘŖŗŘDZȱ ŞŝȬşŝǯ
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Citación estilo Chicago
5HDOSH-LPpQH]ÉOYDUR<LOPDU0D]D3XHUWD0DUtD7HUHVD$FHYH GR0RUDQWHV$GULDQD+HUUHUD%DUURV(IHFWRGHODVXOIRQDFLRQGHO HVWLUHQRpVWHUDFUtOLFRVREUHODVSURSLHGDGHVGHODPHPEUDQDVGH LQWHUFDPELRSURWyQLFRIngeniería Investigación y Tecnología;9,,
Citación estilo ISO 690
5HDOSH-LPHQH]$0D]D3XHUWD<$FHYHGR0RUDQWHV07+H UUHUD%DUURV$(IHFWRGHODVXOIRQDFLRQGHOHVWLUHQRpVWHUDFUtOLFR VREUHODVSURSLHGDGHVGHODPHPEUDQDVGHLQWHUFDPELRSURWyQLFR Ingeniería Investigación y Tecnología YROXPHQ ;9,, Q~PHUR HQHURPDU]R
Semblanzas de los autores
ȱȬ·£ǯȱȱ¢ȱȱȱȱȱȱÇȱÇȱ
ȱȱȱȱǰȱǰȱǯȱȱÇȱȱȱ ȱȱ¤ǰȱǰȱǰȱŗşşŞǯȱȱŘŖŖŘȱȱȱȱ ȱǯȱȱÇȱÇȱȱȱȱȱȱǯȱȱŘŖŖŝȱȱ ȱ ȱ ȱ ǯǯȱ ȱ Çȱ Çȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ǯȱ ȱ áreas de investigación incluyen membranas poliméricas para celdas de combusti-ble, energías renovables, modelación de procesos industriales y tecnología de par-tículas.
ȱ £Ȭǯȱ ȱ Çȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ǰȱ ǯȱ
Recibió beca como Joven Investigador del Departamento Administrativo de Cien-cia, Tecnología e Innovación de Colombia (Colciencias). Su área de interés se orien-ta a la preparación de membrana polimérica para aplicación en celda de combustible.
ÇȱȱȬǯȱȱȱȱȱȱÇȱÇȱ
ȱȱȱȱǰȱǯȱȱÇȱȱȱȱ Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia, en 1999. En 2005 obtuvo su ǯǯȱȱȱÇȱȱȱȱȱȱǯȱȱ¤ȱȱ-vestigación se orientan a membranas poliméricas para procesos electrolíticos, sepa-ración de dióxido de carbono y celdas de combustible. Además, ha desarrollado otras investigaciones con aplicaciones médicas como encapsulamiento de drogas médicas y síntesis de polianhídridos para tratamiento de cáncer.
ȱ Ȭǯȱ ȱ ȱ ȱ ȱ ȱ Çȱ Çȱ ȱ ȱ
ȱ ȱ ǰȱ ǯȱ ȱ Çȱ ȱ ȱ ȱ -ȱȱ¤ǰȱǰȱǰȱȱŘŖŖŗǯȱȱŘŖŖśȱȱȱȱȱ ǯȱȱÇȱÇȱȱȱȱȱȱǯȱȱŘŖŖşȱàȱȱ ȱȱǯǯȱȱÇȱÇȱȱȱȱȱȱǯȱȱ-tigadora postdoctoral del instituto de nanomateriales funcionales de la universi-dad de Puerto Rico. Sus proyectos de investigación se enfocan en el uso de nanotecnología para aplicaciones biomédicas, biológicas y remediación ambiental.
