Membranas poliméricas de PVA modificas com zeólita NaA e líquido iônico para uso em célula a combustível de etanol direto

Abstract

Células a combustível de etanol direto (DEFC) são promissoras para a produção de energia elétrica a partir de uma fonte renovável e limpa. Neste tipo de célula o etanol sofre oxidação anódica direta produzindo prótons H3O+ liberando elétrons para o circuito externo com redução catódica do O2. Muitos desafios precisam ser superados para tornar esta tecnologia amplamente utilizável, como encontrar um eletrólito bom condutor de prótons, impermeável ao etanol e termicamente estável. Membranas de compósitos de poli (álcool vinílico) (PVA) com zeólita tipo NaA, previamente impregnada com o líquido iônico (IL) tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazólio (BMI.BF4), foram preparadas por casting a partir de soluções aquosas em proporções de 75:25 ou 60:40 em massa de PVA com zeólita NaA (PVA:Z/IL), e a zeólita foi previamente impregnada com 10, 20, 30 ou 50 %, em massa do IL BMI.BF4. As amostras de zeólita NaA impregnadas com BMI.BF4 foram caracterizadas por difração de raio-X (DRX) e por análise termogravimétrica (TGA). As membranas produzidas foram caracterizadas por espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial de varredura (DSC), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), permeabilidade ao etanol e testadas em uma célula a combustível de etanol direto (DEFC). As membranas dos compósitos de PVA:Z/IL em proporção 60:40 apresentaram melhor estabilidade dimensional e térmica que o PVA reticulado, oferecendo temperaturas de decomposição mais elevadas e permeabilidade ao etanol não detectável. O IL BMI.BF4 foi o agente promotor da condutividade protônica, sendo que a membrana de compósito 60:40-PVA:Z20 apresentou o maior valor (10,3 mS.cm-1). O conjunto de membrana-eletrodo (MEA) alcançou densidade de potência máxima de 20 mW.cm-2 na DEFC.

Ethanol direct fuel cells (DEFC) are promising for producing electricity from a clean and renewable energy sources. In this cell type, ethanol suffers direct anodic oxidation causing production of protons H3O+ and release of electrons for the external circuit with cathodic reduction of O2. Many challenges must be overcome to turn this technology into a widely used device, such as finding a good proton-conducing electrolyte, resistant to ethanol permeation and with thermal stability. Composite membranes of poly (vinyl alcohol) (PVA) with type-NaA zeolite previously impregnated with ionic liquid (IL) 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMI.BF4) were prepared by casting. The membranes were prepared from aqueous solutions in proportions of 75:25 or 60:40 by weight of PVA with type-NaA zeolite (PVA:Z/IL), and the zeolite was previously impregnated with 10, 20, 30 or 50 % by weight IL BMI.BF4. Composite membranes of poly (vinyl alcohol) (PVA) with zeolite NaA type previously impregnated with ionic liquid (IL) tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium (BMI.BF4) were prepared by casting from aqueous solutions at ratios of 75:25 or 60:40 by weight of zeolite NaA PVA (PVA: Z / IL), and zeolite was previously impregnated with 10, 20, 30 or 50% by weight LI BMI.BF4. Samples of NaA zeolite impregnated with BMI.BF4 were characterized by X-ray diffraction (DRX) and thermogravimetric analysis (TGA). The membranes produced were characterized by infrared absorption spectroscopy (FTIR), thermal gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), permeability ethanol and tested in a direct ethanol fuel cell (DEFC). The composite membranes with 60:40 ratio of PVA:Z/IL improved thermal and dimensional stability compared to crosslinked PVA, offering higher decomposition temperatures and untraceable ethanol permeability. The IL BMI.BF4 was the proton conductivity promoter and the composite membrane 60:40-PVA:Z20 showed the highest value (10.3 mS.cm-1). The membrane-electrode assembly (MEA) achieved a maximum power density of 20 mW.cm-2 in the DEFC.