Nafion

Molekulmass

Nafioni molekulmass on teadmata, mis on põhjustatud selle valmistamise viisist ja lahuse morfoloogiast. Nafioni struktuur näitab materjali varieeruvust, näiteks selle põhimonomeer koosneb erinevatest variatsioonidest eeterrühmade vahel. Tavalised molekulmassi määramise meetodid, näiteks valguse hajumine ja geelkromatograafia, selleks ei sobi, kuna Nafion on lahustumatu. Sellegipoolest on molekulmassiks määratud 10⁵–10⁶ Da. Molekulmassi asemel kasutatakse Nafioni kirjeldamiseks ekvivalentmassi (EW) ja materjali paksust, millega kirjeldatakse enamikku kaubanduslikult kättesaadavatest membraanidest. Ekvivalentmassi defineeritakse Nafioni perväävlihappe rühmade massi järgi. Näiteks Nafion 117 tähendab, et materjali on ekvivalentmassiga 1100 g ja paksusega 0,178 cm. Sarnaselt ekvivalentmassiga kasutatakse ioonvahetusvõimet (IEC), mis on pöördvõrdeline ekvivalentmassiga, IEC = 1/EW.

Valmistamine

Nafioni derivaadid on esmalt sünteesitud tetrafluoroetüleeni (TFE–monomeer teflonis) polümeristatsioonil ja perfluoro (alküülvinüüleeter) derivaadist koos väävelhappe fluoriidiga. Viimase reaktiivi võib valmistada pürolüüsiga vastava oksiidi või karboksüülhappe abil.
Valmistatud produkt on -SO₂F- rühmi sisaldav termoplast, mis pressitakse kileks. Lahuse kujul kuum NaOH viib sulfonüülfluoriidi (-SO₂F) rühmad üle sulfonaadi (-SO₃⁻Na⁺) rühmadeks. Sellisel kujul Nafioni nimetatakse neutraalseks või soola vormiks, mis viiakse happe vormi, kus ta sisaldab (-SO₃H) rühmi. Nafioni saab 250 °C juures autoklaavi abil alkoholi keskkonnas pressida õhukeseks kileks. Sel kujul saab Nafioni kasutada komposiitfilmide tegemiseks, elektroodide katteks või katkiste membraanide parandamiseks.

Struktuur

Nafioni paremaks käsitlemiseks, on oluline uurida selle membraani morfoloogiat. Sekundaarsed omadused nagu vee juhtimine, hüdratatsiooni stabiilsus kõrgematel temperatuuridel, elektroosmoos ja ka mehaaniline, termilise ja oksüdeerumise stabiilsus on tingitud Nafioni struktuurist.
Esimene Nafioni mudel, nimetusega klasterkanal või klasterühenduse mudel, koosneb võrdselt jaotatud väävelhape ioonide kimpudest (kirjeldatud ka kui ümberpööratud mitselle) diameetriga 40 Å (4 nm) hoiavad fluorosüsinikvõre. Kitsad kanalid diameetriga umbes 10A (1 nm) ühendavad klastreid omavahel, mis seletavad katioonide transpordivõimet.
Nafioni täpset struktuuri on raske määrata, kuna ta derivaadid erinevad lahustuvuse ja kristallstruktuuri poolest. Tänapäevastel morfoloogilistel mudelitel on tuum-kestmudelid, kus ioonrikkad tuumad on ümbritsetud kestadega, millel on vähe ioone. Lisaks on veel varda mudel ja kihiline mudel. Varda mudelis on sulfoonhappe rühmad jaotunud vardakujuliselt. Kihilises mudelis on polümeer kahes kihis ning sulfoonhappe rühmad on mööda lahuse piirpinda, kus toimub ioonide transport.
Kõikidel mudetelitel on ioonsete klastrite ühendus, küll aga erinevad mudelid teineteisest klastrite geomeetria ja jaotuse poolest. Kuigi ükski mudel pole veel täpne, on mõned teadlased näidanud, et kui membraan hüdraatub, muutub Nafioni morfoloogia klasterühendusest vardaühenduseks.
Kõige uuem on veekanalite mudel, mis toetub andmetele, mis on saadud jälgides väikese nurga all röntgenikiirguse hajumiskiirgust, ja uuringutele, milles uuriti taheosakese aatommagnetresonantsi. Selles mudelis organiseeruvad sulfoonhappe rühmad ise võresüsteemsele veekanalitele, kus igaüks on diameetriga ~ 2,5 nm, millega saab väikseid ioone transportida. Vaheldumisi hüdrofiilsete kanalitega on hüdrofoobsed kanalid, mis hoiab mehaanilist stabiilsust.

Nafioni kasutusvaldkonnad

Nafioni erilised omadused teevad ta sobilikuks väga paljudele erinevatele rakdendustele. Nafion leiab rakendust kütuseelementides, elektrokeemilistes seadmetes, kloorleeliste tootmisel, metalli taastootmisel, vee elektrolüüsil, sadestamisel, metallipindade töötlemisel, patareidies, sensorites, Donnani dialüüsi rakkudes, gaaside kuivatamisel või niisutamisel ja superhapete katalüüsil uute kemikaalide tootmisel. Nafion puhul on sageli kõneldud aine potentsiaalist paljudes erinevates rakendustes.

Kloorleeliste elektrolüüsi rakuna

Kloor ja naatrium- või kaaliumhüdroksiid on ühed kõige enam toodetud keemiakaubad. Tänapäeval toodetakse aineid Cl₂ ja NaOH/KOH elektrolüüsi teel kasutades Nafioni membraani soolveelahuses poolrakkude vahel. Enne Nafionit kasutati tehastes elavhõbedasisaldusega naatriumamalgaami, et eraldada naatriumi rakkudest, või asbesti diagrammi, et juhtida naatriumi ioone poolrakkude vahel. Mõlemad tehnoloogiad leiutati 19. sajandi teisel poolel. Nende tehnoloogiate miinusteks on oht töötajate tervisele ja keskkonnasaaste probleemid, kui arvestada elavhõbeda ja asbesti mürgisust. Nafion leidmine oli otsene tulemus kloori, naatriumhüdroksiidi ja kaaliumhüdroksiidi tootmisega kaasnenud probleemide lahendamiseks. Nafion kannatab kõrget temperatuuri, kõrgeid elektrivoole ja korrodeeruvat keskkonda elektrolüütide rakus.
Paremal olev joonis näitab kloorleeliste rakku, kus Nafion töötab membraanina kahe poolraku vahel. Membraan võimaldab naatriumioonide ülekannet ühest rakust teise minimaalse elektritakistusega. Samuti on membraan tugevdatud mitmete lisamembraanidega, et ära hoida gaasiliste saaduste segunemine ning minimeerida Cl– ja –OH ioonide tagasiminekut.

Prootonvahetuse membraanid kütuseelementides

Kuigi kütuseelemente on 1960. aastatest saati kasutatud energiakandjatena satelliitides, on viimasel ajal hakatud tähelepanu pöörama potentsiaalsele võimalusele toota loodussäästlikku energiat vesinikust. Nafion on osutunud efektiivseks membraaniks prootonite vahetusel. Tahked polümeersed elektrolüüdid, mis on tehtud elektroodide (tavaliselt noobelmetallide) ühendamisel või deponeerimisel mõlemale membraani poolele, juhivad elektrone läbi energiat vajava protsessi, kus vesinku ioonid reageerides hapnikuga moodustavad vee. Kütuseelementidele loodetakse leida rakendust transporditööstuses.

Sensorid

Nafion on leidnud kasutust ka ioonselektiivsetes, metalliseeritud, optilistes ja biosensorites. Nafioni teeb eriti huvitavaks selle biosobivus. On täheldatud, et Nafion on stabiilne ka erinevates rakukultuurides, sealhulgas ka inimese kehas, mistõttu on see tundlikuma glükoosisensori uurimisobjekt.