Preparación y caracterización de membranas híbridas de polisulfona con nanohilos de TiO2 para su aplicación en pilas de combustible poliméricas

En este Trabajo Fin de Grado se han investigado nuevas membranas alternativas al Nafion para su uso en pilas de combustible de membrana polimérica. En primer lugar se escogió como polímero base la polisulfona Udel gracias a sus buenas propiedades. La PSU fue modificada mediante la reacción de sulfonación necesaria para garantizar la conductividad protónica de la membrana. Una vez obtenida la polisulfona sulfonada se comprobó el grado de sulfonación mediante resonancia magnética nuclear de líquidos. Las propiedades mecánicas se midieron en un analizador dinamo mecánico, las propiedades eléctricas se obtuvieron mediante espectroscopía de impedancia compleja y se estudió su comportamiento en pila. Con objeto de mejorar las propiedades de la polisulfona sulfonada se prepararon membranas híbridas órgano-inorgánicas. Como carga inorgánica se seleccionaron nanohilos de óxido de titanio (b) debido a sus buenas prestaciones incrementando la estabilidad mecánica y térmica del polímero base. Este compuesto se sintetizó en el laboratorio a partir de nanopartículas de óxido de titanio en fase anatasa mediante el método hidrotermal y se añadió posteriormente a la polisulfona para preparar membranas con distintos porcentajes de carga (2, 5 y 10%). La carga se caracterizó mediante difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido. También se obtuvieron micrografías de las membranas preparadas y se estudiaron sus propiedades mecánicas, eléctricas y el comportamiento en pila. Experimentalmente se comprobó como la adición de carga mejoraba tanto la estabilidad térmica como la conductividad, de forma que a mayor porcentaje mejores propiedades. Sin embargo, se obtuvo una fragilización del material al añadir los nanohilos de óxido de titanio (b). La membrana con un contenido de carga del 10% se probó en una celda de combustible mostrando resultados de densidad de corriente y potencia inferiores a los obtenidos con el polímero base. Sin embargo, se aumentó considerablemente la durabilidad del polímero y por ello su rendimiento en servicio.In this work new membranes alternatives to Nafion have been investigated for their use in proton exchange membrane fuel cells. Firstly, Udel polysulfone was chosen due to its good properties. The PSU was modified by a sulfonation reaction necessary to ensure proton conductivity in the membrane. Once the sulfonated polysulfone was obtained, the sulfonation degree was verified by liquid Nuclear Magnetic Resonance. Mechanical properties were measured in a dynamic mechanical analyzer, electrical properties were obtained by complex impedance spectroscopy and the performance of the membranes prepared was studied. To improve the sulfonated polysulfone properties, organo-inorganic hybrid membranes were prepared. Titanium dioxide (b) nanowires were chosen as inorganic charge due to their good features improving mechanical and thermal stability of the polymer. This compound was synthesized by hydrothermal method employing titanium dioxide nanoparticles phase anatasa and after that was added to the polysulfone in order to prepare membranes with different amount of TiO2 nanowires (2, 5 and 10%). TiO2 (b) nanowires were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Also micrographs of the membranes were obtained and mechanical and electrical properties and polarization curves were studied. Experimentally it was verified that the addition of TiO2 nanowires improved thermal stability and conductivity, as more nanowires were added the best properties were achieved. However, brittle behavior of the material was obtained in the hybrid membranes. The polarization curves of the membrane with the higher amount of TiO2 nanowires presented slightly lower performances than sulfonated polysulfone. Nevertheless, the durability of the polymer was enhanced and so on its performance.Ingeniería en Tecnologías Industriale