Войти
 | |
| Идентификаторы | |
|---|---|
| Номер CAS | |
| ChemSpider |
|
| PubChem CID |
|
| CompTox Dashboard (EPA ) | |
| Свойства | |
| Химическая формула | C7HF13O5S. C 2F4 |
| Молярная масса | См. Статью |
| Опасности | |
| Пиктограммы GHS |  |
| Сигнальное слово GHS | Предупреждение |
| Краткая характеристика опасности GHS | H319, H335 |
| GHS меры предосторожности | P261, P264, P271, P280, P304 + 340, P305 + 351 +338, P312, P337 + 313, P403 + 233, P405, P501 |
| Связанные соединения | |
| Родственные соединения | Aciplex. Flemion. Dowew. fumapem F |
| Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). | |
 N (что такое ?) | |
| Ссылки в ink | |
Nafion - торговая марка сульфированного тетрафторэтилена из фторполимер - сополимер, открытый в конце 1960-х годов Вальтером Гротом из DuPont. Nafion - торговая марка компании Chemours. Это первый из класса синтетических полимеров с ионными свойствами, которые называются иономерами. Уникальные ионные свойства Nafion являются результатом включения групп перфторвинилового эфира с концевыми сульфонатными группами в основную цепь тетрафторэтилена (PTFE ). Нафион получил значительное внимание как протонный проводник для топливных элементов с протонообменной мембраной (PEM) из-за его превосходной термической и механической стабильности.
Химическая основа превосходных проводящих свойств Нафиона остается в центре внимания исследований. Протоны на группах SO 3 H (сульфоновая кислота ) «перескакивают» с одного кислотного сайта на другой. Поры допускают движение катионов, но мембраны не проводят анионы или электроны. Нафион может производиться с различной катионной проводимостью.
Нафион можно производить как в виде порошка смолы, так и в виде сополимера. Он имеет различные химические конфигурации и, следовательно, несколько химических названий в системе IUPAC. Нафион-H, например, включает следующие систематические названия:
молекулярная масса нафиона не определена из-за различий в обработке и морфологии раствора. Структура подразделения Nafion, показанная в верхней части страницы, иллюстрирует вариативность материала; например, самый основной мономер содержит вариацию цепи между группами простого эфира (индекс z). Обычные методы определения молекулярной массы, такие как светорассеивание и гельпроникающая хроматография, неприменимы, поскольку нафион нерастворим, хотя молекулярная масса оценивается в 10–10 Да. Вместо этого для описания большинства имеющихся в продаже мембран используются эквивалентный вес (EW) и толщина материала. EW - это количество граммов сухого нафиона на моль групп сульфоновой кислоты, когда материал находится в кислотной форме. Например, Nafion 117 указывает на материал с EW 1100 г и толщиной 0,007 дюйма. В отличие от эквивалентного веса, обычные ионообменные смолы обычно описываются с точки зрения их ионообменной емкости (IEC), которая является обратной или обратной величиной эквивалентного веса, т. Е., IEC = 1000 / EW.
Производные нафиона сначала синтезируют сополимеризацией тетрафторэтилена (TFE) (мономер в тефлоне) и производного перфтора (алкилвинилового эфира) с фторид сульфониловой кислоты. Последний реагент может быть получен путем пиролиза его соответствующего оксида или карбоновой кислоты с получением олефинированной структуры.
Полученный продукт является an -SO 2 F-содержащий термопласт, который экструдирован в пленки. Горячий водный NaOH превращает эти сульфонилфторидные (-SO 25 2 187 F) группы в сульфонатные группы (-SO 25 3 187 Na). Эта форма нафиона, называемая нейтральной или солевой формой, в конечном итоге превращается в кислотную форму, содержащую группы сульфоновой кислоты (-SO 25 3 187 H). Нафион может быть отлит в тонкие пленки путем нагревания в водном спирте при 250 ° C в автоклаве . С помощью этого процесса Nafion можно использовать для создания композитных пленок, покрытия электродов или ремонта поврежденных мембран.
Этот производственный процесс довольно дорогостоящий.
Сочетание стабильной основной цепи ПТФЭ с кислотными сульфоновыми группами придает Нафиону следующие характеристики:
Морфология мембран Nafion является предметом постоянных исследований, позволяющих лучше контролировать их свойства. Структура Nafion влияет на другие свойства, такие как управление водными ресурсами, стабильность гидратации при высоких температурах, электроосмотическое сопротивление, а также механическая, термическая и окислительная стабильность.
Модель кластерной сети Первая модель для Nafion, называемая кластерной моделью или моделью кластерной сети, состояла из равного распределения кластеров сульфонат-ионов (также описанные как «инвертированные мицеллы ») с диаметром 40 Å (4 нм ), удерживаемые внутри непрерывной фторуглеродной решетки. Узкие каналы диаметром около 10 Å (1 нм) соединяют кластеры между собой, что объясняет транспортные свойства.
Трудность в определении точной структуры нафиона проистекает из несовместимой растворимости и кристаллической структуры среди его различных производных. Усовершенствованные морфологические модели включают модель ядро-оболочку, где богатое ионами ядро окружено бедной ионами оболочку, модель стержня, где сульфогруппы объединяются в кристаллические стержни, и сэндвич-модель, где полимер образует два слоя, сульфогруппы которых притягиваются через водный слой, где происходит перенос. Согласованность между моделями включает сеть ионных кластеров; модели различаются геометрией кластера и распределением. Хотя ни одна модель еще не определена полностью корректно, некоторые ученые продемонстрировали, что по мере гидратации мембраны морфология Нафиона трансформируется из модели кластерного канала в модель стержневого типа.
Более поздний водный канал. Модель была предложена на основе моделирования данных малоуглового рентгеновского рассеяния и исследований твердотельного ядерного магнитного резонанса. В этой модели функциональные группы сульфоновой кислоты самоорганизуются в массивы гидрофильных водных каналов, каждый диаметром ~ 2,5 нм, через которые можно легко транспортировать небольшие ионы. Между гидрофильными каналами расположены основные цепи гидрофобного полимера, которые обеспечивают наблюдаемую механическую стабильность.
Свойства Nafion делают его пригодным для широкого спектра применений. Nafion нашел применение в топливных элементах, электрохимических устройствах, производстве хлорщелочи, извлечении ионов металлов, в воде электролизе, гальванике, обработке поверхностей металлов, батареях., датчики, высвобождение лекарственного средства, сушка или увлажнение газа и суперкислотный катализ для производства тонких химикатов. Нафион также часто упоминается как теоретический потенциал (то есть пока не испытанный) в ряде областей. Учитывая широкую функциональность Nafion, ниже мы остановимся только на наиболее значимых.
Хлорно-щелочная камера Хлор и гидроксид натрия / калия являются одними из наиболее производимых товарных химикатов в мире. Современные методы производства производят Cl 2 и NaOH / KOH путем электролиза рассола с использованием мембраны Nafion между полуэлементами. До использования Nafion в промышленности использовалась ртуть, содержащая амальгаму натрия, для отделения металлического натрия от ячеек или асбест диафрагмы, чтобы обеспечить перенос ионов натрия между половинными ячейками; обе технологии были разработаны во второй половине XIX века. Недостатками этих систем являются безопасность работников и проблемы окружающей среды, связанные с ртутью и асбестом, экономические факторы также сыграли свою роль, а также загрязнение гидроксида хлоридами в процессе диафрагмы. Nafion стал прямым результатом решения этих проблем в хлорно-щелочной промышленности; Нафион может выдерживать высокие температуры, высокие электрические токи и агрессивную среду электролитических ячеек.
На рисунке справа показан хлорно-щелочной элемент, в котором Нафион функционирует как мембрана между половинными ячейками. Мембрана позволяет ионам натрия переходить от одной клетки к другой с минимальным электрическим сопротивлением. Мембрана также была усилена дополнительными мембранами для предотвращения смешивания газовых продуктов и минимизации обратного переноса ионов Cl и OH.
Хотя топливные элементы использовались Начиная с 1960-х годов в качестве источников питания для спутников, недавно они вновь привлекли внимание к их потенциалу для эффективного производства чистой энергии из водорода. Было обнаружено, что нафион эффективен в качестве мембраны для протонообменной мембраны (PEM) топливных элементов, обеспечивая перенос ионов водорода и предотвращая электронную проводимость. Твердые полимерные электролиты, которые получают путем присоединения или нанесения электродов (обычно из благородного металла) на обе стороны мембраны, проводят электроны через процесс, требующий энергии, и присоединяют ионы водорода, чтобы вступить в реакцию с кислородом и произвести воду. Ожидается, что топливные элементы найдут широкое применение в транспортной отрасли.
Нафион, как суперкислота, имеет потенциал в качестве катализатора органического синтеза. Исследования продемонстрировали каталитические свойства в алкилировании, изомеризации, олигомеризации, ацилировании, кетализации, этерификации., гидролиз сахаров и простых эфиров и окисление. Постоянно открываются новые приложения. Однако эти процессы еще не нашли широкого коммерческого применения. Несколько примеров приведены ниже:
Алкилирование алкилгалогенидами . Нафион-H дает эффективное преобразование, тогда как альтернативный метод, который использует синтез Фриделя-Крафтса, может способствовать полиалкилированию:
. Ацилирование . Количество нафиона-H, необходимое для катализа ацилирования бензола ароилхлоридом, на 10–30% меньше, чем у катализатора Фриделя-Крафтса:
. Катализ защитных групп . нафион -H увеличивает скорость реакции защиты за счет дигидропирана или о-триалкилсилирования спиртов, фенола и карбоновых кислот.
. Изомеризация . Нафион может катализировать 1,2-гидридный сдвиг.
Можно иммобилизовать ферменты внутри нафиона путем увеличения пор с помощью липофильных солей. Нафион поддерживает структуру и pH, чтобы обеспечить стабильную среду для ферментов. Применения включают каталитическое окисление.
Nafion нашел применение в производстве датчиков, с применением в ион-селективных, металлизированных, оптических и биосенсоры. Что делает Нафион особенно интересным, так это его демонстрация в виде биосовместимости. Доказано, что нафион стабилен в клеточных культурах, а также в организме человека, и существуют значительные исследования, направленные на производство более чувствительных глюкозных сенсоров.
На поверхности Нафиона видна запретная зона против колонизации бактерий. Более того, послойные покрытия, содержащие нафион, демонстрируют превосходные антимикробные свойства.
В космическом корабле SpaceX Dragon 2, предназначенном для человека, используются мембраны Nafion для осушения воздух в салоне. Одна сторона мембраны подвергается воздействию атмосферы кабины, а другая - космического вакуума. Это приводит к осушению, поскольку нафион проницаем для молекул воды, но не для воздуха. Это экономит электроэнергию и сложность, так как охлаждение не требуется (как это необходимо для конденсационного осушителя), а удаленная вода сбрасывается в космос без дополнительных механизмов.
Обычный нафион будет дегидратироваться (теряя протонную проводимость) при температуре выше ~ 80 ° C. Это ограничение мешает конструкции топливных элементов, поскольку для повышения эффективности и устойчивости платинового катализатора желательны более высокие температуры. Фосфат кремния и циркония может быть введен в водные каналы Nafion посредством химических реакций in situ для повышения рабочей температуры до уровня выше 100 ° C.
