Membranas de troca aniônica baseadas em polietileno aplicadas como eletrólito polimérico alcalino em dispositivos eletroquímicos

Abstract

As membranas de troca aniônica (AEM) são materiais ionoméricos usados em dispositivos eletroquímicos alcalinos, como células a combustível, eletrolisadores, baterias entre outros. Uma rota simples de sintetizar AEMs é conhecida como enxerto induzido por radiação (RIG), que frequentemente é dividida em dois métodos - pré-irradiação (PIM) e simultâneo (SM). O presente estudo está divido em três etapas, primeiro, é fornecida uma investigação sistemática do efeito de cada método RIG nas propriedades de AEMs baseadas em polietileno de baixa densidade (LDPE). As AEMs possuem a mesma estrutura molecular, mas propriedades distintas devido às diferenças no grau de reticulação, que é capaz de afetar o transporte hídrico nas AEMs e desempenho de célula a combustível de H2/O2. A segunda etapa compreende uma análise exploratória do método PIM através da dose de radiação, temperatura e atmosfera. A caracterização detalhada das AEMs mostra efeitos marcantes causados pelas condições de pré-irradiação nas propriedades de AEMs baseadas em LDPE. Tais condições têm forte influência no tipo, quantidade e decaimento dos radicais formados durante e após a irradiação, afetando posteriormente o processo de enxertia (uma diferença de 190% é observada). Os resultados experimentais evidenciam que controlar tanto a temperatura de irradiação quanto da atmosfera, minimiza a degradação causada pela radiação, e melhora a estabilidade química da AEM em 120%. Finalmente, a partir dos conhecimentos obtidos nas etapas anteriores, uma AEM ultrafina baseada em polietileno de alta densidade (HDPE) é desenvolvida. Esta AEM compõe um reator eletroquímico de fluxo para oxidação direta de metano via íons carbonato a produtos oxigenados. Parâmetros operacionais como potencial aplicado (0,7-1,4V), temperatura (40-80 ºC), fluxo de metano (50-100 mL min-1), e quantidade de catalisador no ânodo (1-3 mg cm-2) são estudados em um reator de área ativa de 5 cm2 como base para construir um reator de 25 cm2. O reator de 5 cm2 é capaz de gerar metanol como produto majoritário com taxa de 73 μmol g-1 h-1 e seletividade de 75%. O escalonamento do reator para 25 cm2 resulta em 368 μmol g-1 h-1 de metanol com seletividade de 95%. É a primeira vez que um estudo original e sistemático é realizado nas condições descritas, avaliando desde as etapas de síntese de AEMs e correlacionado suas propriedades com testes eletroquímicos.