Estudio de la conductividad protónica de membranas compuestas de Polieter-eter-cetona sulfonadas y MOF de base de hierro para pilas de combustible

Abstract

[ES] Las fuentes de energía renovables son cada día más importantes en la descarbonización de la economía y transición energética que la sociedad necesita. Cada día se desarrollan estas fuentes renovables, mejorando la eficiencia y eficacia, convirtiéndose en fuentes competitivas frente a las tradicionales fuentes de energía no-renovables basadas en los combustibles fósiles. Una característica de algunas fuentes renovables de energía es la producción de energía sólo cuando las condiciones son adecuadas, por ejemplo, las células solares producen energía cuando son irradiadas, los aerogeneradores se mueven cuando hace viento o la energía mareomotriz se produce cuando se generan olas en los mares. Por otra parte, las energías renovables se producen en el lugar donde hay un alto nivel de irradiación solar, un viento suficiente para mover los aerogeneradores o en las cercanías de los mares. Todo esto hace que se necesite el almacenamiento de energía cuando esta se produzca para ser liberada cuando se precise su uso. Por tanto, las fuentes de energía renovables precisan de sistemas de almacenamiento que permitan acumular el exceso de energía producida, que servirá de utilidad cuando las necesidades energéticas se produzcan. Las pilas de combustibles son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química almacenada del combustible en una corriente eléctrica. El exceso energético de las fuentes renovables puede acumularse en forma de hidrógeno. En este sentido, la tecnología del hidrógeno puede convertirse en una importante herramienta para la utilización de las fuentes renovables actuando, en este caso el hidrogeno, como vector energético. Las pilas de combustibles están formadas por un ánodo y un cátodo conectado por una membrana de intercambio protónico. Las pilas de tipo PEMFC (del inglés Proton Exchange Membrane Fuel Cell) tienen una membrana polimérica acida que permite el intercambio de los protones entre el ánodo y el cátodo. La membrana de la PEMFC constituye la parte central de la pila, y condiciona el buen funcionamiento de la pila. La búsqueda de nuevos materiales compuestos que mejoren las prestaciones de las membranas de intercambio protónico es un reto en las pilas de combustible. Las membranas de intercambio protónico que se emplean las PEMFC son las membranas de tipo Nafion® que precisan un alto grado de humedad para facilitar la movilidad de los protones en la membrana. Otra membrana interesante como intercambiador protónico son las membranas de tipo polieter-éter-cetona (PEEK del inglés Polyether ether ketone) que pueden ser sulfonadas, proporcionado una elevada conductividad protónica. Estas membranas de intercambio protónico pueden mejorar sus propiedades añadiendo cargas orgánicas o inorgánicas con el objetivo de incrementar la conductividad protónica, estabilidad química y electroquímica, prestaciones mecánicas de la membrana, incrementar la humedad de la membrana. Una de las cargas que se utiliza en la preparación de nuevas membranas de intercambio protónica son los MOF ( de las siglas en inglés Metal–Organic Frameworks). Los MOF son compuestos de coordinación formado por un átomo metálico unido a unos ligados orgánicos. La característica principal de los MOF es la formación de nanoporos que permiten la movilidad de los protones o el almacenamiento de pequeñas moléculas como el agua y así proporcionar una mayor conductividad iónica. Estudio de la conductividad protónica de membranas compuestas de Polieter-éter-cetona sulfonadas y MOF de base de hierro para pilas de combustible. 3 En el presente TFG, se han preparado una serie de membranas de PEEK con diferentes proporciones de MOF basado en hierro. La preparación de las membranas se ha realizado mediante el método de casting. En las membranas se ha estudiado su hinchamiento por agua. Posteriormente se ha caracterizado su conductividad protónica mediante la técnica de la espectroscopia electroquímica de impedancia en función de la temperatura, teniendo en cuanta la proporción de MOF adicionado a la membrana y su grado de humedad.

[CA] Les fonts d'energia renovables són cada vegada més importants en la descarbonització de l'economia i la transició energètica que la societat necessita. Cada dia es desenvolupen aquestes fonts renovables, millorant l'eficiència i l'eficiència, convertint-se en fonts competitives contra les fonts d'energia tradicionals no renovables basades en combustibles fòssils. Una característica d'algunes fonts d'energia renovables és la producció d'energia només quan les condicions són propenses, és a dir, les cèl·lules solars produeixen energia quan s'irradien, els aerogeneradors es mouen quan va vent o mareomotriu es produeix quan els mars es mouen. D'altra banda, les energies renovables es produeixen en el lloc on hi ha un alt nivell d'irradiació solar, un vent suficient per moure els aerogeneradors o en les proximitats dels mars. Tot això requereix emmagatzematge d'energia quan es produeix per ser alliberat quan es requereix el seu ús. Les fonts d'energia renovables requereixen sistemes d'emmagatzematge per acumular l'excés d'energia produïda, que servirà quan es produeixin necessitats energètiques. Les piles de combustible són dispositius electroquímics que converteixen l'energia química emmagatzemada del combustible en un corrent elèctric. L'excés d'energia procedent de fonts renovables es pot acumular en forma d'hidrogen. En aquest sentit, la tecnologia d'hidrogen pot convertir-se en una eina important per a l'ús de fonts renovables, actuant com a vector energètic. Les piles de combustible consisteixen en un ànode i un càtode connectats per una membrana d'intercanvi de protons. Les piles de tipus PEMFC (del angles Proton Exchange Membrane Fuel Cell) tenen una membrana polimèrica àcida que permet intercanviar protons entre l’ànode i el càtode. La membrana PEMFC és la part central de la pila, i condiciona el bon funcionament de la pila. La recerca de nous materials compostos que milloren el rendiment de les membranes d'intercanvi de protons és un repte en les piles de combustible. Les membranes d'intercanvi de protons utilitzades pels PEMFCs són membranes tipus Nafion® que requereixen un alt grau d'humitat per facilitar la mobilitat dels protons a la membrana. Una altra membrana interessant com a intercanviador de protons són les membranes de polieteretercetona (PEEK del angles Polyether ether ketone) que es poden sulfonar, proporcionant una alta conductivitat protònica. Aquestes membranes d'intercanvi de protons poden millorar les seves propietats afegint càrregues orgàniques o inorgàniques amb l'objectiu d'augmentar la conductivitat protònica, l'estabilitat química i electroquímica, el rendiment mecànic de la membrana, l'augment de la humitat de la membrana. Una de les càrregues utilitzades en la preparació de noves membranes d'intercanvi protònic són els MOF (Metal–Organic Frameworks). Els MOF són compostos de coordinació formats per un àtom metàl·lic unit a uns lligands orgànics. La característica principal dels MOF és la formació de nanoporus que permet la mobilitat de protons o l'emmagatzematge de petites molècules com l'aigua. En aquest TFG s'han preparat una sèrie de membranes PEEK amb diferents proporcions de MOF basats en ferro. La preparació de membranes s'ha realitzat utilitzant el mètode de càsting. Les membranes s’han estudiat el seu inflament per aigua. La conductivitat protònica d’aquestes membranes s'ha realitzat mitjançant espectroscòpia electroquímica d'impedància en funció de la temperatura, tenint en compte la proporció de MOF afegit a la membrana i el grau d'humitat de la membrana.

[EN] Renewable energy sources are increasingly important in the low-carbon economy and energy transition that society needs. Every day these renewable sources are developed, improving efficiency and efficiency, becoming competitive sources against traditional non-renewable energy sources based on fossil fuels. A characteristic of some renewable energy sources is energy production only when conditions are prone, i.e., solar cells produce energy when irradiated, wind turbines move when windy or tidal energy occurs when the seas move. On the other hand, renewable energies occur in the place where there is a high level of solar irradiation, a wind sufficient to move the wind turbines or in the vicinity of the seas. All of this requires energy storage when it occurs to be released when its use is required. Renewable energy sources require storage systems to accumulate excess energy produced, which will serve when energy needs occur. Fuel cells are electrochemical devices that convert the stored chemical energy of the fuel into an electric current. Excess energy from renewable sources can accumulate in the form of hydrogen. In this sense, hydrogen technology can become an important tool for the use of renewable sources, acting as an energy carrier. Fuel cells consist of an anode and cathode connected by a proton exchange membrane. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) have an acidic polymeric membrane that allows the proton exchange between the anode and cathode. The PEMFC membrane is the central part of the stack, and conditions the proper functioning of the cells. The search for new composite materials that improve the performance of proton exchange membranes is a challenge in fuel cells. The proton exchange membranes used in PEMFCs are Nafion®- type membranes, which require a high degree of moisture to facilitate the mobility of protons in the membrane. Another interesting membrane as a proton exchanger are Polyether ether ketone-type membranes (PEEK) that can be sulfonated, provided a high protonic conductivity. These proton exchange membranes can improve their properties by adding organic or inorganic loads with the aim of increasing protonic conductivity, chemical and electrochemical stability, mechanical membrane performance, increasing membrane moisture. One of the loads used in the preparation of new proton exchange membranes is metal-organic frameworks (MOFs). MOFs are coordination compounds formed by a metal atom attached to organic bindings. The main feature of MOF is the formation of nanoporus that allows the mobility of protons or the storage of small molecules such as water. In this Bachelor’s Thesis, a number of PEEK membranes with different proportions of iron-based MOF have been prepared. Membrane preparation has been done by casting. These membranes have been studied for water swelling. The protonic conductivity of the membranes has been performed by electrochemical impedance spectroscopy depending on the temperature, considering the proportion of MOF added to the membrane and the degree of moisture of the membrane.