Il Nafion è un copolimero fluoropolimerico caratterizzato dalla presenza di tetrafluoroetilene solfonato. Questa sostanza integra una struttura in politetrafluoroetilene (PTFE) con catene laterali lunghe di perfluoroviniletere, ricche di gruppi terminali con acido solfonico, conferendole notevoli proprietà conduttive.
Caratteristiche del Nafion
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La stabilità termica e chimica del Nafion è garantita dalla sua struttura in politetrafluoroetilene, che possiede una natura idrofobica. Le catene laterali, al contrario, sono idrofile e svolgono un ruolo cruciale come gruppi conduttivi protonici. Questo equilibrio strutturale ha reso il Nafion uno dei materiali più impiegati per la realizzazione di membrane a scambio protonico, capaci di permettere un trasporto selettivo dei protoni.
Scoperto alla fine degli anni sessanta del secolo scorso da Walther Grot, appartenente alla DuPont, il Nafion rientra nella categoria degli ionomeri. Questi polimeri sono caratterizzati dalla presenza di gruppi ionici, che vengono neutralizzati da ioni mobili di carica opposta e sono legati covalentemente alla loro struttura.
Applicazioni delle membrane di Nafion
Le membrane di Nafion sono utilizzate in celle a combustibile chimiche come elettroliti solidi, fornendo un trasporto selettivo dei cationi e fungendo da separatori tra anodo e catodo. Nelle applicazioni di celle a combustibile, questa membrana elettrolitica polimerica è inserita tra gli elettrodi, garantendo un’efficace conduzione protonica.
Durante la reazione elettrochimica, si generano protoni ed elettroni attraverso la semireazione di ossidazione all’anodo, mentre al catodo si combina ossigeno e protoni per formare acqua. La membrana a scambio protonico è essenziale per condurre i protoni dall’anodo al catodo. Grazie alla sua stabilità chimica e termica anche in ambienti ostili, la membrana Nafion permette di mantenere le proprietà desiderate anche in condizioni di elevata temperatura e ossidazione.
Inoltre, la conduttività protonica della membrana Nafion è di 0,083 S cm−1 a 23 °C e un’umidità relativa del 50%, ma può essere incrementata con un aumento della temperatura. La durata del ciclo delle membrane Nafion si presenta relativamente lunga rispetto ad altre membrane solfoniche non perfluorurate, garantendo così un buon rendimento in vari contesti.
Nonostante i vantaggi, il Nafion presenta anche svantaggi significativi, come costi di produzione elevati e una diminuzione della conduttività a bassa umidità. Per affrontare queste problematiche, sono state sviluppate varianti della membrana attraverso metodi di modifica come la creazione di membrane composite o la miscelazione diretta con altri polimeri. Il primo approccio si è rivelato più efficace, grazie alla semplice preparazione e al miglioramento delle prestazioni delle celle a combustibile.
Allo stesso modo, l’incorporazione di nanoparticelle di diversi materiali, come silice o ossidi metallici, nella matrice di Nafion ha portato alla creazione di nanocompositi innovativi. Queste membrane ibride non solo migliorano le proprietà meccaniche, termiche ed elettriche del materiale, ma possono anche rendere più economica la produzione, riducendo la quantità di polimero necessaria.
Strategie come la regolazione delle dimensioni dei pori e l’uso di riempitivi inorganici sono state impiegate per ottimizzare la conduttività protonica e la stabilità termica delle membrane a base di Nafion. In particolare, l’ossido di grafene viene considerato un potenziale riempitivo. Sebbene non disponga di una significativa conduttività ionica, può essere trasformato in un conduttore di alta qualità attraverso l’incorporazione di molecole organiche, migliorando così notevolmente le prestazioni della membrana.
