Кіріспе
Химиялық өнімнің бренд атауы Nafion – 1960 жылдардың соңында DuPont компаниясының докторы Уолтер Грот ашқан, сульфондалған тетрафторэтиленге негізделген фторполимерлік сополимердің бренд атауы. Nafion – Chemours компаниясының бренді. Бұл иондармен байланысты қасиеттері бар синтетикалық полимерлер класының – иономерлердің – алғашқы өкілі. Nafion-ның ерекше иондық қасиеттері сульфонат тобымен аяқталатын перфторвинил эфир тобын тетрафторэтилен (PTFE) тізбегіне енгізу нәтижесінде пайда болады. Nafion бірлігінің құрылымы материалдың өзгешелігін көрсетеді, мысалы, ең қарапайым мономерде эфир тобы арасында тізбектің ұзындығы өзгеріп отырады (z индексі). Nafion ерімейтіндіктен, жарық шашырауы және гельді хроматография сияқты молекулалық салмақты анықтаудың дәстүрлі әдістері қолданылмайды, бірақ молекулалық салмағы 105–106 Да шамасында екені есептелді. Мысалы, Nafion 117 – 1100 г/моль EW және 0,007 дюйм (7 тыс) қалыңдығы бар экструзиялық мембрананы білдіреді. Нәтижесінде SO2F қосқан термопластикалық өнім пайда болады, ол пленка түрінде шығарылады. Қыздырылған сулы NaOH осы сульфонил фторид (SO2F) топтарын сульфонат топтарына (SO3−Na+) айналдырады. Nafion-ның осы түрі бейтарап немесе тұз түрі деп аталады, ол әрі сульфон қышқылы (SO3H) тобын қамтитын қышқыл түріне айналады. Nafion-ды 250 °C температурада сулы спиртте автоклавта қыздыру арқылы ерітіндіге шашыратып, содан кейін жұқа пленкаларға құюға немесе электродтарда полимерлі байланыс ретінде қолдануға болады. Осы арқылы Nafion композиттік пленкалар жасауға, электродтарды жабуға немесе зақымдалған мембраналарды жөндеуге қолданылады. Ол катиондарды жақсы өткізеді, сондықтан көптеген мембраналық қолданулар үшін қолайлы. Осы тұрғыдан алғанда Nafion трифторметансульфон қышқылы CF3SO3H-қа ұқсас, бірақ Nafion кем дегенде үш есе әлсіз қышқыл. Ол суды таңдап, өте жақсы өткізеді. Оның протондық өткізгіштігі температураға, гидратация деңгейіне, термиялық тарихы мен өңдеу шарттарына байланысты 0,2 С/см-ге дейін жетеді, бұл жасанды жапырақтар, отын жасушы жасушалар және суды электролиздейтін құрылғылар сияқты энергияны түрлендіретін құрылғылар үшін кемшілік болып табылады.
Nafion is a brand name for a sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer copolymer discovered in the late 1960s by Dr. Walther Grot of DuPont. Nafion is a brand of the Chemours company. It is the first of a class of synthetic polymers with ionic properties that are called ionomers. Nafion's unique ionic properties are a result of incorporating perfluorovinyl ether groups terminated with sulfonate groups onto a tetrafluoroethylene (PTFE) backbone. The structure of a Nafion unit illustrates the variability of the material; for example, the most basic monomer contains chain variation between the ether groups (the z subscript). Conventional methods of determining molecular weight such as light scattering and gel permeation chromatography are not applicable because Nafion is insoluble, although the molecular weight has been estimated at 105–106 Da. For example, Nafion 117 indicates an extrusion cast membrane with 1100 g/mol EW and 0.007 inches (7 thou) in thickness. The resulting product is an SO2F containing thermoplastic that is extruded into films. Hot aqueous NaOH converts these sulfonyl fluoride ( SO2F) groups into sulfonate groups ( SO3−Na+). This form of Nafion, referred to as the neutral or salt form, is finally converted to the acid form containing the sulfonic acid ( SO3H) groups. Nafion can be dispersed into solution by heating in aqueous alcohol at 250 °C in an autoclave for subsequent casting into thin films or use as polymeric binder in electrodes. By this process, Nafion can be used to generate composite films, coat electrodes, or repair damaged membranes. It is highly conductive to cations, making it suitable for many membrane applications. In this respect Nafion resembles the trifluoromethanesulfonic acid, CF3SO3H, although Nafion is a weaker acid by at least three orders of magnitude. It is selectively and highly permeable to water. Its proton conductivity up to 0.2 S/cm depending on temperature, hydration state, thermal history and processing conditions. which is a drawback for energy conversion devices such as artificial leaves, fuel cells, and water electrolyzers.
Құрылымы/морфологиясы
Нафион мембраналарының морфологиясы оның қасиеттерін жақсырақ бақылауға мүмкіндік беру үшін үздіксіз зерттеу нысаны болып табылады. Нафион құрылымы суды басқару, жоғары температурадағы гидратация тұрақтылығы, электроосмостық соғу, сондай-ақ механикалық, жылулық және тотығуға төзімділік сияқты басқа да қасиеттерге әсер етеді. Нафионның ерекше тасымалдау қасиеттерін түсіндіру үшін бірнеше модельдер ұсынылған. Нафионның нақты құрылымын анықтаудағы қиындық оның әртүрлі туындыларының ерігіштігі мен кристалдық құрылымының үйлесімсіздігінен туындайды. Алғашқы морфологиялық модельдерге ионға толы ядроны ионға жеткіліксіз қабық қоршап тұратын ядро-қабық моделі, сульфон тобының кристалл тәрізді таяқшаларға орналасатын таяқша моделі және полимердің сульфон тобы сулы қабат арқылы тартылатын екі қабаттан тұратын сэндвич моделі кіреді. Бұл модель сондай-ақ кішкентай бұрышты рентген сәулесінің шашырауы және қатты күйдегі ядролық магниттік резонанс зерттеулерінің нәтижелеріне негізделген. Бұл модельде сульфон қышқылының функционалдық тобы өзінен-өзі ұйымдасып, диаметрі шамамен 2,5 нм болатын гидрофильді су арналарын құрайды, олар арқылы кішкентай иондар оңай тасымалданады. Гидрофильді арналардың арасында байқалатын механикалық тұрақтылықты қамтамасыз ететін гидрофобты полимер тізбектері орналасқан. Алайда, көптеген соңғы зерттеулер тікелей бейнелеу зерттеулерінің нәтижелеріне және құрылым мен тасымалдау қасиеттерінің жан-жақты талдауына сүйене отырып, жергілікті жазық немесе лента тәрізді гидрофильді домендерден тұратын фазалық бөлінген наноқұрылымды қолдайды.
Қолданбалар
Нафионның қасиеттері оны алуан түрлі қолданымдар үшін қолайлы етеді. Нафион отын жасушаларында, электрохимиялық құрылғыларда, хлорлы сілті өндірісінде, металл иондарын алуда, судың электролизінде, жалатуда, металдардың бетін өңдеуде, аккумуляторларда, сенсорларда, Доннан диализіне арналған жасушаларда, дәрілерді босатуда, газды кептіру немесе ылғалдандыруда, сондай-ақ құрылымдық химиялық заттарды өндіру үшін суперқышқылдық катализ ретінде қолданылады. Нафион көптеген салалардағы теориялық мүмкіндіктерімен (яғни, әзірге сынақтан өтпеген) де жиі аталады. Нафионның кең мүмкіндіктерін ескере отырып, төменде тек ең маңыздылары ғана талқыланады.
Хлор- сілтілік өндіріс жасуша мембранасы
Хлор және натрий/калий гидроксиді әлемде ең көп өндірілетін тауарлық химиялық заттардың қатарына жатады. Қазіргі заманғы өндіріс әдістері тұздықты электролиз арқылы Cl2 және NaOH/KOH өндіреді, жартылай жасушалар арасында Nafion мембранасы қолданылады. Nafion қолданылғанға дейін, өнеркәсіптер натрийді жартылай жасушалардан бөлу үшін сынапты құрамындағы натрий амальгамасын немесе жасушалар арасында натрий иондарын тасымалдау үшін асбест диафрагмаларын пайдаланған; екі технология да 19 ғасырдың екінші жартысында дамыған. Бұл жүйелердің кемшіліктері – жұмысшылардың қауіпсіздігі және сынап пен асбестке байланысты экологиялық алаңдаушылықтар, сондай-ақ экономикалық факторлар да маңызды рөл атқарды, ал диафрагмалық процесте гидроксид өнімі хлоридтермен ластануына себеп болды. Nafion – бұл мәселелерді шешуге бағытталған хлор-сілті өнеркәсібінің тікелей нәтижесі болды; Nafion электролиттік жасушалардың жоғары температурасына, күшті электр тогына және коррозиялық ортаға төтеп бере алады.
Ацилирлеу
Бензолдың ароил хлоридімен ацилирленуін катализдеу үшін қажетті Nafion H мөлшері Friedel-Crafts катализаторына қарағанда 10–30% кем: Сонымен қатар, Nafion-нан жасалған қабаттама жабындар тамаша микробқа қарсы қасиеттерді көрсетеді.
Ғарыш кемелерінде ылғалсыздандыру
SpaceX Dragon 2 адам тасымалдайтын ғарыш кемесі кабина ауасын құрғату үшін Nafion мембраналарын пайдаланады. Мембрананың бір жағы кабина атмосферасына, екінші жағы ғарыш кеңістігінің вакуумына тікелей қатысады. Nafion су молекулаларынан ғана өткізгіш болғандықтан, ауадан емес, бұл ауаны құрғатуға мүмкіндік береді. Бұл салқындату қажеттілігін жойтады (конденсациялық ылғалсыздандырғыштарда қажет болатындай), сонымен қатар энергияны үнемдеп, құрылымды жеңілдетеді. Ал алынған су, қосымша механизмсыз тікелей ғарышқа шығарылады.
PEM отын элементтері үшін модификацияланған Nafion
Нафион температурасы шамамен 80 °C-тан жоғары болғанда сусызданып (соның салдарынан протонды өткізгіштігін жоғалтады). Бұл шектеу отын жасушаларының жобалануында қиындық тудырады, себебі платина катализаторының тиімділігі мен CO-ға төзімділігі үшін жоғары температуралар қажет. Көміртекті кремний және цирконий фосфатын Nafion су арналарына in situ химиялық реакциялар арқылы қосу арқылы жұмыс температурасын 100 °C-тан асыруға болады.