Membrana de troca de prótons com base em nanocelulose/lignina para aplicações em células combustíveis

Abstract

Com as alterações climáticas e preocupação com o esgotamento dos recursos energéticos houve uma crescente busca por tecnologias em energias alternativas que apresentem baixas emissões de gases de efeito estufa e elevada eficiência. Células combustíveis convertem energia interna de ligação química em eletricidade e calor de forma eficiente, silenciosa e com baixas emissões de gases de efeito estufa para o meio ambiente. Célula de combustível de membrana de troca de prótons tradicionalmente usa membranas baseadas em polímeros de ácido perfluorossulfônico. No entanto, essas membranas apresentam alto custo e em baixa umidade ou a alta temperatura tem sua aplicação limitada na célula de combustível de membrana de troca de prótons. Assim, estudos que busquem o desenvolvimento de membrana de troca de prótons (MTP) com polímeros funcionalizados para aplicações em célula de combustível, que possibilitem aumentar a condutividade de prótons, e resistam a temperaturas mais elevadas do que as membranas tradicionais, tornam-se cada vez mais necessários. Celulose e lignina (LIG) são biopolímeros, encontrado em abundância na natureza e que não poluem o meio ambiente. São materiais que permitem a sua funcionalização devido à presença de grupos hidroxilas. O objetivo principal deste trabalho foi desenvolver MTPs funcionalizadas para aplicações em célula de combustível. Para isso, o corante remazol preto B (RPB) foi incorporado nas membranas de nanocelulose bacteriana (NCB) para a inserção de grupos sulfônicos (SO3-) e reticuladas com LIG utilizando ácido cítrico como agente reticulante. A morfologia e microestrutura da MTP foram observadas utilizando microscopia eletrônica de varredura revelando a microestrutura e porosidade da membrana. A presença de grupos funcionais que caracterizam a composição química foi confirmada utilizando espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier. Os ensaios de titulação indicaram boa capacidade de troca iônica das membranas desenvolvidas, com valores de 2,31 mmol g-1 para membrana de NCB/RPB/LIG. Os resultados da troca iônica puderam ser confirmados utilizando as membranas como MTP em uma célula combustível microbiana, sendo o melhor resultado apresentado pela membrana constituída de NCB/LIG, com uma densidade de potência máxima de 18,5 mW m-2. Por fim, todas as membranas permitiram a troca de prótons e a geração de energia.

Abstract: With climate change and concern about the depletion of energy resources, the search for technologies to alternative energies that present low greenhouse gases emissions and high efficiency. Fuel cells convert chemical-bonded internal energy into electricity and heat efficiently, quietly, and with low greenhouse gases emissions to the environment. The proton exchange membrane fuel cell traditionally uses membranes based on polymers of perfluorosulfonic acid. However, these membranes have a high cost, and in low humidity or at high temperature, have limited application in proton exchange membrane fuel cell. Thus, studies that seek the development of a proton exchange membrane (MTP) with functionalized polymers for fuel cells applications, which enable high proton conductivity and resist high temperatures, become increasingly necessary. Cellulose and lignin (LIG) are biopolymers of high abundance in nature and does not pollute the environment. They are materials that allow their functionalization due to the presence of hydroxyl groups. This project aims to develop functionalized MTPs for applications in fuel cells. For this, the remazol black 5 (RPB) dye was incorporated in bacterial nanocellulose (NCB) for the insertion of sulfonic groups (SO3-) and cross-linked to LIG with citric acid as crosslinked agent. The morphology and microstructure analysis of MTP were carried out by scanning electron microscopy that reveals the microstructure and porosity. The presence of functional groups that characterize the membrane chemical composition was confirmed using Fourier transform infrared spectroscopy. The titration tests indicated good ion exchange capacity of the developed membranes with values of 2,31 mmol g-1 for NCB/RPB/LIG membrane. The ion exchange results could be confirmed using the membranes as MTP in a microbial fuel cell, the best result being present by the membrane consisting of NCB/LIG, with a maximum power density of 18,5 mW m-2. Finally, all membranes have allowed the exchange of protons and the generation of energy.