Nafion

Nafion
Struktur kimia Nafion
Penanda
3DMet {{{3DMet}}}
ChemSpider
  • none
Nomor EC
Nomor RTECS {{{value}}}
Sifat
C7HF13O5S . C2F4
Massa molar Lihat artikel
Senyawa terkait
Senyawa terkait
 Aciplex
Flemion
Dowew
fumapem F
Kecuali dinyatakan lain, data di atas berlaku pada suhu dan tekanan standar (25 °C [77 °F], 100 kPa).
N verifikasi (apa ini YaYN ?)
Referensi

Nafion adalah suatu fluoropolimer-kopolimer berbasis tetrafluoroetilena tersulfonasi yang ditemukan pada akhir tahun 1960-an oleh Walther Grot dari DuPont.[1] Polimer ini merupakan kelas polimer sintetik pertama dengan sifat ionik yang disebut ionomer. Keuinikan sifat ionik yang dimiliki Nafion merupakan hasil dari penggabungan gugus eter perfluorovinil dengan gugus sulfonat pada kerangka tetrafluoroetilena (Teflon).[2][3] Nafion telah menerima cukup banyak perhatian sebagai konduktor proton untuk membran pertukaran proton (PEM) sel bahan bakar karena stabilitas termal dan mekanik yang sangat baik.

Dasar kimia bagi sifat konduktif superior yang dimiliki Nafion masih menjadi fokus penelitian. Proton pada gugus SO3H (asam sulfonat) "lompat" dari satu lokasi asam yang lain. Pori-pori memungkinkan pergerakan kation namun membran tidak mengkonduksi anion atau elektron. Nafion dapat diproduksi dengan berbagai konduktivitas kationik.

Preparasi

Prosedur kerja sel bahan bakar. Nafion berperan sebagai "polimer elektrolit"

Turunan Nafion pertama disintesis melalui kopolimerisasi tetrafluoroetilena (TFE) (monomer dalam Teflon) dan suatu turunan dari perfluoro (alkil vinil eter) dengan asam sulfonil fluorida. Pereaksi terakhir dapat disiapkan melalui pirolisis oksida atau asam karboksilat bersangkutan untuk menghasilkan struktur terolefinasi.[4]

Produk yang dihasilkan adalah suatu termoplastik mengandung gugus -SO2F yang diekstrusi ke dalam film. Larutan NaOH panas mengkonversi gugus sulfonil fluorida (-SO2F) tersebut menjadi gugus sulfonat (-SO3−Na+). Bentuk Nafion ini, disebut sebagai bentuk netral atau garam, pada akhirnya dikonversi ke bentuk asam yang mengandung gugus asam sulfonat (-SO3H). Nafion dapat dicetak menjadi film tipis dengan pemanasan dalam alkohol berair pada 250 °C dalam suatu autoklaf. Dengan proses ini, Nafion dapat digunakan untuk menghasilkan film komposit, melapisi elektrode, atau memperbaiki kerusakan membran.[2]

Proses produksi ini cukup mahal.[5][6]

Sifat

Kombinasi dari kerangka Teflon stabil dengan gugus sulfonat yang bersifat asam memberikan Nafion karakteristik:[7]

  • Sangat konduktif bagi kation, sehingga cocok untuk banyak aplikasi membran.
  • Tahan terhadap serangan kimia. Menurut DuPont, hanya logam alkali (khususnya natrium) dapat menurunkan Nafion di bawah suhu dan tekanan normal.
  • Kerangka Teflon bertautan dengan gugus sulfonat ionik memberikan Nafion suhu operasi yang tinggi, misalnya hingga 190 °C, namun, dalam bentuk membran, hal ini tidak memungkinkan karena hilangnya air dan kekuatan mekanik.
  • Merupakan katalis superasam. Kombinasi rangka terfluorinasi, gugus asam sulfonat, dan efek stabilisasi dari matriks polimer membuat Nafion asam yang sangat kuat, dengan pKa ~ -6.[8] Dalam hal ini Nafion menyerupai asam trifluorometanasulfonat, CF3SO3H, walaupun Nafion merupakan asam lemah dengan sedikitnya tiga lipat lebih.
  • Sangat selektif dan sangat permeabel dalam air.
  • Konduktivitas protonnya sebesar 0.2 S/cm bergantung pada suhu dan keadaan hidrasi[9]
  • Fase padat dan fase berair Nafion keduanya permeabel terhadap gas,[10][11] yang merupakan kelemahan bagi perangkat konversi energi seperti sel bahan bakar, dan elektroliser air.

Aplikasi

Reaksi di dalam sel bahan bakar

Sifat yang dimiliki Nafion membuatnya sesuai untuk berbagai aplikasi. Nafion telah digunakan dalam sel bahan bakar, perangkat elektrokimia, produksi klor-alkali, pemulihan ion logam, elektrolisis air, penyepuhan, pengolahan permukaan logam, baterai, sensor, sel dialisis Donnan, pelepasan obat, pengeringan gas atau humidifaksi, dan katalisis superasam untuk produksi bahan kimia.[2][3][7][12] Nafion juga sering disebutkan atas potensi teoretis (yaitu, sejauh ini belum teruji) dalam sejumlah bidang.

Nafion termodifikasi untuk PEM sel bahan bakar

Normalnya, Nafion akan terdehidrasi (karenanya kehilangan konduktivitas proton) ketika suhu berada di atas ~80 °C. Batasan ini menjadi masalah dalam desain sel bahan bakar, karena suhu yang tinggi lebih disukai untuk efisiensi yang lebih baik serta toleransi CO pada katalis platina. Silika dan zirkonium fosfat dapat digabungkan dalam jaringan air Nafion melalui reaksi kimia in situ untuk meningkatkan suhu kerja menjadi di atas 100 °C.

Referensi

  1. ^ Church, Steven (6 Januari 2006). "Del. firm installs fuel cell". The News Journal. hlm. B7. 
  2. ^ a b c Heitner-Wirguin, C. (1996). "Recent advances in perfluorinated ionomer membranes: structure, properties and applications". Journal of Membrane Science. 120: 1–33. doi:10.1016/0376-7388(96)00155-X. 
  3. ^ a b Mauritz, K. A., Moore, R. B.; Moore (2004). "State of Understanding of Nafion". Chemical Reviews. 104 (10): 4535–4585. doi:10.1021/cr0207123. PMID 15669162. 
  4. ^ Connolly, D.J.; Longwood; Gresham, W. F. (1966). "Fluorocarbon Vinyl Ether Polymers". U.S. Patent 3.282.875. 
  5. ^ Hickner, Michael A.; Ghassemi, Hossein; Kim, Yu Seung; Einsla, Brian R.; McGrath, James E. (2004). "Alternative Polymer Systems for Proton Exchange Membranes (PEMs)". Chemical Reviews. 104 (10): 4587–4612. doi:10.1021/cr020711a. ISSN 0009-2665. 
  6. ^ Dicks, A.L. (2012). "PEM Fuel Cells": 203–245. doi:10.1016/B978-0-08-087872-0.00406-6. 
  7. ^ a b Perma Pure LLC (2004). "Nafion: Physical and Chemical Properties". Technical Notes and Articles. Diarsipkan dari versi asli tanggal 28 September 2013. 
  8. ^ Schuster, M., Ise, M., Fuchs, A., Kreuer, K.D., Maier, J. (2005). Proton and Water Transport in Nano-separated Polymer Membranes (PDF). Germany: Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2007-06-11. Diakses tanggal 2017-02-18. 
  9. ^ "Journal of The Electrochemical Society — Error". doi:10.1149/1.1836625. Diakses tanggal 4 November 2015. 
  10. ^ Schalenbach, Maximilian; Hoefner, Tobias; Paciok, Paul; Carmo, Marcelo; Lueke, Wiebke; Stolten, Detlef (2015-10-28). "Gas Permeation through Nafion. Part 1: Measurements". The Journal of Physical Chemistry C. 119: 25145–25155. doi:10.1021/acs.jpcc.5b04155. 
  11. ^ Schalenbach, Maximilian; Hoeh, Michael A.; Gostick, Jeff T.; Lueke, Wiebke; Stolten, Detlef (14 Oktober 2015). "Gas Permeation through Nafion. Part 2: Resistor Network Model". The Journal of Physical Chemistry C. 119: 25156–25169. doi:10.1021/acs.jpcc.5b04157. 
  12. ^ Gelbard, Georges (2005). "Organic Synthesis by Catalysis with Ion-Exchange Resins". Industrial & Engineering Chemistry Research. 44 (23): 8468–8498. doi:10.1021/ie0580405. 

Pranala luar