Efeito da massa molar da quitosana em membranas utilizadas em células a combustível

Abstract

Resumo: A utilização das Células a Combustível (CaC) vem ao encontro da busca por uma energia limpa segura e a preço acessível, nesse sentido estudos estão sendo realizados para viabilizar economicamente a utilização delas. Um dos principais componentes da CaC do tipo PEM é o eletrólito de troca protônica, atualmente o eletrólito comercialmente utilizado é o Nafion®, um polímero derivado do petróleo e de valor elevado. Alguns trabalhos já foram realizados visando utilizar a quitosana como eletrólito. A quitosana é um biopolimero derivado da quitina, a qual pode ser extraída da carapaça de crustáceos como por exemplo o camarão. Nesse sentido o presente trabalho buscou estudar o desempenho de membranas produzidas a partir de quitosana para utilização em células a combustível. Esse estudo buscou avaliar o efeito da massa molar viscosimétrica (Mv) e a espessura das membranas. As quitosanas utilizadas foram caracterizadas, para saber o Grau de Desacetilação (GD) e Mv. Foram produzidas membranas a partir de duas quitosanas com massas molares diferentes, e com duas espessuras diferentes para cada tipo de quitosana utilizada, todas foram reticuladas com H2SO4. As membranas produzidas foram avaliadas pelas técnicas de FTIR, DRX, propriedade mecânicas, absorção de água e condutividade protônica, visando a utilização delas como eletrólito condutor de prótons em CaC do tipo PEM. As análises de fT iR mostraram as bandas características da quitosana e o efeito da reticulação na estrutura das membranas, a partir das análises de DRX foram observadas as características amorfa das membranas, a partir dessa técnica foi possível observar que o caráter amorfo da membrana aumenta com o aumento da massa molar da quitosana utilizada para fazer a membrana, sendo que dentre as amostras analisadas a membrana H120, mais espessa, com maior massa molar e menor GD, se mostrou mais amorfa que as demais. Nas análises de resistência mecânica as membranas apresentaram bom desempenho sendo que a membrana H120 se destacou das demais com melhor desempenho entre as membranas estudadas, chegando a uma resistência a tração de 82 MPa, e elongação de ruptura de 81%. A absorção de água pela membrana é uma característica importante pois esta diretamente ligada aos mecanismos de condutividade protônica, a partir dos resultados obtidos evidenciou que membranas mais espessas absorveram uma porcentagem maior de água que membranas menos espessas. Nos testes de condutividade protônica a membrana H120 mostrou-se operante a uma temperatura de até 80°C, chegando a uma condutividade protônica de 9,5X10-3 Scm-1, dentre as membranas avaliadas, esse é o valor de condutividade protônica mais próximo aos valores de condutividade apresentado por membranas comerciais, como o Nafion® que ficam em torno de 9,0X10-2 Scm-1. A partir desse estudo foi possível avaliar a influência da massa molar da quitosana referente ao desempenho das mesmas como eletrólito para CaC do tipo PEM, sendo que as membranas com quitosana de maior massa molar apresentaram os melhores resultados de resistência mecânica e condutividade protônica. Palavras-chave: Biopolímeros, Quitosana, Camarão, Hidrogênio, Células a Combustível.

Abstract: The use of fuel cells meets the demand for clean and safe energy at affordable prices. Studies are being conducted to turn them econom ically viable. One of the main components of the PEM-type fuel cell is the proton-exchange electrolyte, which nowadays is commercialized as Nafion®, a petroleum-derived polymer of high value. Some studies have been conducted using chitosan as an electrolyte. Chitosan is a biopolymeter obtained from chitin, which is extracted from the skeletal structure of crustaceans, such as shrimp. This research studied the performance of membranes produced from chitosan and its use in fuel cells. It also evaluated the effect of the viscometry molar mass and the thickness of the membranes. The chitosan was characterized to acknowledge their degree of deacetylation, and viscometry molar mass. Membranes were produced from two chitosan with different molar mass and, with two different thicknesses for each type of chitosan, all cross-linked with H2SO4The membranes produced were evaluated by FTIR, XRD, mechanical properties, water absorption and proton conductivity, with the purpose of using them as protonconducting electrolyte in PEM-type fuel cells. The FTIR analysis showed the characteristic chitosan bands and the crosslinking effect on the membrane structure. From the XRD analysis, the amorphous characteristics of the membranes were observed and, from this technique, it was possible to observe that the amorphous character of the membrane increases with the increase in the molar mass of the chitosan used to make the membrane. Among the samples analyzed, the H120 membrane, thicker and with higher molar mass and lower degree of deacetylation, was proven more amorphous than the others. In the mechanical strength analysis, the membranes presented good performance. The H120 membrane presented best performance among the studied membranes, reaching a tensile strength of 82 MPa and break elongation of 81 %. Water absorption through the membrane is an important characteristic because it is directly linked to the mechanisms of proton conductivity. The results showed that the thicker membranes absorbed a higher percentage of water than the thinner membranes. Regarding the proton conductivity tests, the H120 was operative at a temperature up to 80°C, reaching a proton conductivity of 9.5X10-3Scm- 1. Among the membranes evaluated, this value of proton conductivity is the closest to the conductivity value of commercialized membranes, such as Nafion®, which are around 9.0X10-2 Scm-1. From this study, it was possible to evaluate the influence of the molar mass from chitosan regarding its performance as an electrolyte for PEM-type fuel cells, on which the membranes with chitosan of higher molar mass presented the best results of mechanical resistance and proton conductivity. Keywords: Biopolymers, Chitosan, Shrimp, Hydrogen, Fuel Cells.