나피온

Nafion
나피온
Chemical Structure of Nafion
식별자
켐스파이더
  • 없는
펍켐 CID
특성.
C7HF13O5S . C2F4
어금질량 기사 보기
위험
GHS 라벨 표시:
GHS07: Exclamation mark
경고
H319, H335
P261, P264, P271, P280, P304+P340, P305+P351+P338, P312, P337+P313, P403+P233, P405, P501
관련 화합물
관련 화합물
 아세플렉스
플레미온
Dowew
F.
달리 명시된 경우를 제외하고, 표준 상태(25°C [77°F], 100 kPa)의 재료에 대한 데이터가 제공된다.
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Infobox 참조 자료

나피온은 듀폰의 발터 그로트가 1960년대 후반 발견한 황화 테트라플루오로에틸렌 기반 불소폴리머-복합체의 브랜드 이름이다.[1] Nafion은 Chemours 회사의 브랜드다. 아이오노머라 불리는 이온 성질을 가진 합성 고분자 종류 중 첫 번째다. 나피온의 독특한 이온 성질은 설폰산염 그룹과 함께 종료된 과불화비닐에테르 그룹을 테트라플루오로에틸렌(PTFE) 백본에 통합한 결과다.[2][3][4] 나피온은 열과 기계적 안정성이 뛰어나 양성자 교환막(PEM) 연료전지용 양성자 도체로서 상당한 관심을 받아왔다.

나피온의 우수한 전도성 성질의 화학적 기초는 광범위한 연구의 초점으로 남아 있다.[2] 나피온의 이온전도도는 수화 수준에 따라 증가한다. 나피온이 가습 환경이나 액체 물에 노출되면 각 황산 그룹과 관련된 물 분자의 양이 증가한다. 이온 그룹의 친수성 성질은 물 분자를 끌어들이는데, 이온성 집단을 용해시키고 양자를3 SOH(설폰산) 집단과 분리시키는 경향이 있다. 분리된 양성자들은 물 분자와 수소 결합에 의해 촉진되는 메커니즘을 통해 한 산성 부위에서 다른 산 부위로 "홉"한다.[2] 수화 시, 나피온은 나노미터 길이 눈금으로 분리되어 물과 양이온의 이동이 가능한 친수영역의 상호연결 네트워크가 형성되지만, 막은 음이온이나 전자를 전도하지 않는다. 나피온은 다양한 양이온 형태로 제조되어 다양한 양이온 전도성을 달성할 수 있다.

명명법과 분자량

나피온은 분말수지와 복합체로 둘 다 생산될 수 있다. IUPAC 시스템에는 다양한 화학적 구성이 있어 여러 가지 화학적 명칭이 있다. 예를 들어, Nafion-H는 다음과 같은 체계적인 이름을 포함한다.

  • From Chemical Obstracts: Ethanesulfonyl fluoride, 2-[ diffluoro-[(trifluoroeenyl)oxy]-1,2, tetrafluoroeho-]-1,1,2,,-tetrafluoro-,
  • 테트라플루오로에틸렌-perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7-octeneulfonic acid copolymer

나피온의 분자량은 가공과 용액 형태학의 차이로 인해 불확실하다.[3][4] 페이지 상단에 표시된 나피온 단위의 구조는 재료의 변동성을 보여준다. 예를 들어, 가장 기본적인 모노머는 에테르 그룹 사이의 체인 변화(z 첨자)를 포함한다. 분자량이 10-10Da로56 추정되었지만 나피온이 불용성이기 때문에 빛 산란, 젤 침투 크로마토그래피와 같은 분자량을 결정하는 전통적인 방법은 적용되지 않는다.[3][4] 대신, 동등한 무게(EW)와 재료 두께를 사용하여 대부분의 상업적으로 사용할 수 있는 막을 설명한다. EW는 물질이 산성 형태일 때 황산 그룹의 몰당 건조 나피온의 그램 수입니다.[4] 나피온 막은 일반적으로 EW와 두께로 분류된다.[2][5] 예를 들어, Nafion 117은 1100 g/mol EW와 0.007 인치(7 thou) 두께의 압출-캐스트 막을 나타낸다.[5] 등가중량과는 대조적으로, 기존의 이온교환수지는 대개 등가중량의 역수나 역수인 이온교환능력(IEC)의 관점에서 설명된다.

준비

나피온 유도체는 우선 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 복합화(Teflon의 모노머)와 과불화탄소(alkyl 비닐에테르)를 황산불화합성화하여 합성된다. 후자의 시약은 각각의 산화물 또는 카르복실산의 열분해로 준비하여 올레프화 구조를 제공할 수 있다.[6]

결과물은 필름에 압출되는2 -SOF 함유 열가소성 수지다. 뜨거운 수성 NaOH는 이러한 황색 불소(-SOF2) 그룹을 황산염 그룹(-SONA3−+)으로 변환한다. 중성 또는 소금형태로 일컬어지는 이 나피온의 형태는 마침내 설폰산(-SOH3) 집단을 포함하는 산성형태로 전환된다. 나피온은 수성 알코올로 250 °C의 오토클레이브에서 가열하여 박막으로 주조할 수 있다. 이 과정을 통해 나피온은 복합 필름을 생성하거나 코팅 전극을 만들거나 손상된 막을 수리하는 데 사용될 수 있다.[3]

이 생산 공정은 상당히 비싸다.[7][8]

특성.

안정적인 PTFE 백본과 산성 황색 그룹의 조합은 Nafion의 특징을 제공한다.[2][9]

  • 양이온에 전도성이 높아 여러 막 용도에 적합하다.[2]
  • 그것은 화학적 공격에 저항한다. 케뮤르스에 따르면 정상 온도와 압력에서는 알칼리 금속(특히 나트륨)만이 나피온을 분해할 수 있다.
  • 이온성 설폰산염 그룹과 혼합된 PTFE 백본은 나피온에게 예를 들어 최대 190 °C의 높은 작동 온도를 주지만, 막 형태에서는 물의 손실과 기계적 강도로 인해 이것이 가능하지 않다.
  • 그것은 초산성 촉매다. 불소 백본, 설폰산 그룹, 폴리머 매트릭스의 안정화 효과의 조합은 나피온을 pKa ~ -6으로 매우 강한 산으로 만든다.[10] 이 점에서 나피온은 최소한 3배 이상의 약한 산이지만, 나피온은 트리플루오로메탄네술폰산, CFSOH와33 닮았다.
  • 그것은 선택적으로 물에 잘 스며들 수 있다.
  • 온도, 수화 상태, 열 이력 및 가공 조건에 따라[11][2] 최대 0.2 S/cm의 양성자 전도도
  • 나피온의 고체상이나 수용상 모두 가스에 투과할 수 있어 [12][13]인공잎, 연료전지, 전해질 등 에너지 전환장치의 단점이다.

구조/형상학

나피온 막의 형태학은 그 성질을 더 잘 통제할 수 있도록 계속 연구해야 할 문제다. 물 관리, 고온에서의 수화 안정성, 전기-오토믹 항력 및 기계적, 열적, 산화적 안정성과 같은 다른 특성들은 나피온 구조의 영향을 받는다. 나피온의 형태학에서 나피온의 독특한 운송 특성을 설명하기 위해 많은 모델이 제안되었다.[2]

클러스터 네트워크 모델

클러스터-채널 또는 클러스터-네트워크 모델이라고 불리는 Nafion의 첫 번째 모델은 연속 불소탄소 격자 내에 40 å(4 nm) 직경의 설폰산염 이온 군집('역전 마이크로셀'[4]이라고도 함)의 동일한 분포로 구성되었다. 직경 약 10 å(1 nm)의 좁은 채널이 클러스터를 상호 연결하며, 이는 전송 특성을 설명한다.[3][4][14]

나피온의 정확한 구조를 결정하기 어려운 것은 다양한 파생상품들 사이에서 일관되지 않은 용해성과 결정체 구조에서 비롯된다. 첨단 형태론적 모델에는 이온이 풍부한 코어가 이온 불량 쉘로 둘러싸인 코어 쉘 모델, 황소 그룹이 수정과 같은 봉으로 배열된 로드 모델, 그리고 수송이 일어나는 수성층을 가로질러 황소 그룹이 끌어당기는 두 개의 층을 형성하는 샌드위치 모델이 포함되었다.[4] 모델들 사이의 일관성은 이온성 군집 네트워크를 포함한다; 모델은 클러스터 기하학과 분포에서 다르다. 아직 완전히 정확한 모델은 발견되지 않았지만, 일부 과학자들은 막막 하이드레이트가 나피온의 형태학이 클러스터-채널 모델에서 로드와 같은 모델로 변형된다는 것을 증명했다.[4]

소각 X선 산란 데이터와 고체 상태의 핵 자기 공명 연구 시뮬레이션에 기초한 원통형 물 채널 모델도[15] 제안되었다. 이 모델에서, 설폰산 기능 그룹은 작은 이온을 쉽게 운반할 수 있는 직경 2.5 nm의 친수성 수로 배열로 자가 조직된다. 친수성 채널 사이에 교차 배치되는 것은 관측된 기계적 안정성을 제공하는 친수성 폴리머 백본이다. 그러나 최근의 많은 연구들은 직접 이미징 연구와[16] 구조 및 운송 특성에 대한 보다 포괄적인 분석의 증거를 바탕으로 국부적으로 평평한 또는 리본처럼 친수성 영역으로 구성된 위상 분리 나노 구조를 선호했다.[2][17]

적용들

나피온의 특성은 다양한 용도에 적합하다. 나피온은 연료전지, 전기화학기기, 클로로알칼리 생산, 금속이온회수, 수분전기분해, 도금, 금속의 표면처리, 배터리, 센서, 돈난투석세포, 약물방출, 가스건조 또는 가습작용, 미세화학물질 생산을 위한 초산성 촉매투석 등에 사용하는 것을 발견했다.[3][4][9][18] Nafion은 또한 많은 분야에서 이론적 잠재력(즉, 지금까지 검증되지 않은)으로도 자주 인용된다. 나피온의 넓은 기능성을 고려하여, 가장 중요한 기능만 아래에서 논의될 것이다.

클로로알칼리생성세포막

클로로알칼리 세포

염소와 수산화나트륨/칼륨은 세계에서 가장 많이 생산되는 일반 화학 물질 중 하나이다. 현대의 생산방법은 반전지 사이의 나피온막을 이용하여 브라인 전기분해로부터 Cl과2 NaOH/KOH를 생산한다. 나피온을 사용하기 전에, 산업체들은 나트륨 아말감을 함유한 수은을 세포나 석면 다이아프램에서 나트륨 금속을 분리하기 위해 사용했고, 두 기술은 19세기 후반에 개발되었다. 이러한 시스템의 단점은 수은과 석면과 관련된 작업자의 안전 및 환경적 우려, 경제적 요인 또한 한몫했으며 수산화물의 격막 공정 염화물 오염에 있다. Nafion은 이러한 우려를 해소한 클로로알칼리 산업의 직접적인 결과였다; Nafion은 전해 세포의 고온, 높은 전류, 부식성 환경을 견딜 수 있었다.[3][4][9]

오른쪽 그림은 나피온이 반세포 사이의 막 역할을 하는 클로로알칼리 세포를 보여준다. 이 막은 최소한의 전기저항으로 나트륨 이온이 한 세포에서 다른 세포로 전달되도록 한다. 이 막은 가스제품 혼합을 방지하고 Cl과− OH 이온의 역전달을 최소화하기 위해 추가 막으로 보강하기도 했다.[3]

연료전지용 양성자교환막(PEM)

연료전지는 1960년대부터 인공위성의 전력 공급원으로 사용됐지만 최근에는 수소로부터 청정에너지를 효율적으로 생산할 수 있는 잠재력으로 다시 주목받고 있다. 나피온은 전자의 전도를 방지하면서 수소 이온 수송을 허용해 양성자 교환막(PEM) 연료전지용 막으로 효과가 있는 것으로 나타났다. 고체 고분자 전해질은 전극(보통 고귀한 금속)을 막 양쪽에 연결하거나 퇴적시켜 만든 것으로, 전자를 공정이 필요한 에너지로 전도하고 수소 이온과 다시 결합하여 산소와 반응하여 물을 생산한다.[3] 연료전지는 운송산업에서 강력한 사용을 찾을 것으로 예상된다.

미세화학 생산을 위한 초산성 촉매

나피온은 슈퍼아시드로서 유기합성의 촉매로서 잠재력을 가지고 있다. 연구들은 알킬화, 이소머화, 과점화, 아킬화, 케탈화, 에스테르화, 당과 에테르의 가수분해, 산화에서 촉매 특성을 입증했다. 새로운 어플리케이션이 끊임없이 발견되고 있다.[18] 그러나 이러한 과정들은 아직 강력한 상업적 용도를 발견하지 못했다. 아래에 몇 가지 예가 나와 있다.

알킬 할로겐화 알킬화
Friedel-Crafts 합성을 채택한 대안적 방법은 폴리알킬화를 촉진할 수 있는 반면, Nafion-H는 효율적인 변환을 제공한다.[19]

Alkyl Halide Reaction


아킬레이션
아로일 염화물로 벤젠의 아틸화 촉매를 촉진하는 데 필요한 Nafion-H의 양은 Friedel-Crafts 촉매보다 10~30% 적다.[19]

Acylation of Benzene


보호 그룹의 카탈루션
나피온-H는 알코올, 페놀, 카복실산의 디히드롭디란 또는 오 트라이알킬실리화를 통해 보호 반응률을 증가시킨다.[18]

Catalysis of protection groups


이성질체화
Nafion은 1,2-수화물 이동에 촉매작용을 할 수 있다.[18]

Isomerization via Nafion

지방염으로 모공을 넓혀 나피온 내 효소를 고정시키는 것이 가능하다. 나피온은 구조와 pH를 유지하여 효소에게 안정된 환경을 제공한다. 응용 프로그램에는 아데닌 디뉴클레오티드의 촉매 산화가 포함된다.[18]

센서스

Nafion은 센서의 생산에서 이온 선택, 금속화, 광학, 바이오센서 등에 응용하는 것을 발견했다. 나피온을 특히 흥미롭게 만드는 것은 생체적합성에 대한 실증이다. 나피온은 인체는 물론 세포 배양에서도 안정성이 있는 것으로 나타났으며, 고감도 포도당 센서의 생산을 위한 연구가 상당하다.[3]

항균 표면

나피온 표면은 박테리아 군집화에 대한 배타적 영역을 보여준다.[20] 게다가 나피온으로 구성된 층별 코팅은 뛰어난 항균 특성을 보여준다.[21]

우주선 제습

SpaceX Dragon 2의 인간 등급 우주선은 실내 공기를 제습하기 위해 나피온 막을 사용한다. 막의 한쪽은 실내 대기에 노출되고 다른 한쪽은 공간의 진공에 노출된다. 이것은 나피온이 물 분자에는 침투할 수 있지만 공기는 침투할 수 없기 때문에 제습이 된다. 이를 통해 냉각이 필요하지 않고(응축 제습기로 필요 시), 제거된 물이 추가 메커니즘 없이 우주로 방출되기 때문에 전력과 복잡성을 절약할 수 있다.[22]

PEM 연료 전지의 수정된 Nafion

Normal Nafion은 온도가 80 °C 이상일 때 탈수(양자 전도성을 상실)한다. 이러한 제한은 백금 촉매의 효율과 CO 내성을 향상시키기 위해 더 높은 온도가 바람직하기 때문에 연료 전지 설계에 문제가 된다. 실리카와 지르코늄 인산염은 현장 화학 반응을 통해 나피온 물 채널에 통합돼 작업 온도를 100℃ 이상으로 높일 수 있다.

참조

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외부 링크