Development of proton exchange membranes based in polymer@ionic liquid composites

Abstract

ABSTRACT: Ionic liquids (IL), liquid salts at room temperature are being explored in different applications due to their good properties such as high chemical and thermal stability, high ion conductivity or non volatility. IL can be combined with a wide variety of polymers for the production of solid membranes which combine the good mechanical properties of the polymeric materials with the properties of the ionic liquids previously mentioned. One of the most interesting applications of these composites is the development of proton exchange membranes (PEM) with high proton conductivity in dry and wet states, good mechanical strength and thermal stability. This work focuses on the development of polymer@ionic liquid membranes using different types of ionic liquids. In particular, the study was focused on the use of PVDF-HFP and three different protic ionic liquids (Diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate, 1-Methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide and 1-Methylimidazolium chloride). The membranes were synthesized under different conditions and posteriorly characterized by several techniques (SEM, contact angle, mechanical tests, TGA, FTIR and electrical measurements) in order to compare the properties of the membranes with the different ionic liquids and select the most appropriate for specific applications. From the results, it has been observed how aspects such as morphology, hydrophobicity, conductivity or mechanical properties change depending on the synthesis procedure employed and on the type and amount of ionic liquid used.

RESUMEN: Los líquidos iónicos (IL), sales líquidas a temperatura ambiente, son de gran importancia en diferentes aplicaciones debido a las buenas propiedades que poseen, como su alta estabilidad química y térmica, su alta conductividad iónica o su nula volatilidad. Estos materiales se pueden combinar con una gran variedad de polímeros para producir membranas sólidas que combinen las buenas propiedades mecánicas de los materiales poliméricos con las propiedades de los líquidos iónicos. Una de las aplicaciones de interés de estos composites es el desarrollo de membranas de intercambio protónico (PEM), las cuales presentan alta conductividad protónica, buena resistencia mecánica y alta estabilidad térmica. Este trabajo se centra en el desarrollo de composites polímero@líquido iónico, utilizando distintos líquidos iónicos. En particular, se ha utilizado el polímero PVDF-HFP y tres líquidos iónicos próticos diferentes (Diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate, 1-Methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide and 1-Methylimidazolium chloride). Las membranas se han sintetizado en diferentes condiciones y, posteriormente, han sido caracterizadas por diversas técnicas (SEM, ángulo de contacto, ensayos mecánicos, TGA, FTIR y medidas eléctricas) con el fin de comparar las propiedades y seleccionar las más apropiadas para determinadas aplicaciones. A partir de los resultados logrados se ha podido observar cómo cambian aspectos como la morfología, la hidrofobicidad, la conductividad o las propiedades mecánicas dependiendo del procedimiento de síntesis empleado y del tipo de líquido iónico utilizado.