Estudo da influência de contraíons nas propriedades eletroquímicas, eletromecânicas e térmicas de compósito polímero ionomérico metal (IPMC) de Náfion®/Pt

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Autor(a) principal: Tozzi, Kaique Afonso
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16537
Resumo: In the field of soft actuators, ionomeric polymer metal composite like devices (IPMCs) are a trend, as they display great displacement when a low electric potential is applied. Its work mechanism is related to the migration of solvated counterions inside the polymeric membrane, so the type of counterion plays a key role in the IPMC performance, while keeping the membrane hydrated limits the usage of IPMC's in dry environments. Ionic liquids (ILs) are used in IPMC to solve the dependence of the environment, but with the burden of poor mechanical performance. Thus, the objective of this work was to study the electrochemical, electromechanical and thermal properties of Nafion®/Pt-IPMC with different counterions (H+, Li+, Na+ and [BMIM]+) and to tune the concentration of ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazole chloride ([BMIM]Cl) with 0.1; 0.3 or 0.5 mol L-1, attaining electrochemical stability with better electromechanical performance independently of humidity level. [BMIM]Cl was successfully synthesized and characterized through Nuclear Magnetic Resonance, Infrared Spectroscopy with Fourier Transform and Cyclic Voltammetry (CV). IPMC electrochemical behavior was studied through Electrochemical Impedance Spectroscopy, CV and Chronoamperometry, while the electromechanical properties were measured through blocking force and displacement, and mass loss with Thermogravimetric Analysis. IPMC-[BMIM]Cl tests were performed in distinct humidities (30%, 60% and 90%). Concentration of 0.3 mol L-1 provided electrochemical stability with the best electromechanical performance regardless of relative humidity. This result will be important for enhance the devices performance and efficiency.
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Its work mechanism is related to the migration of solvated counterions inside the polymeric membrane, so the type of counterion plays a key role in the IPMC performance, while keeping the membrane hydrated limits the usage of IPMC's in dry environments. Ionic liquids (ILs) are used in IPMC to solve the dependence of the environment, but with the burden of poor mechanical performance. Thus, the objective of this work was to study the electrochemical, electromechanical and thermal properties of Nafion®/Pt-IPMC with different counterions (H+, Li+, Na+ and [BMIM]+) and to tune the concentration of ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazole chloride ([BMIM]Cl) with 0.1; 0.3 or 0.5 mol L-1, attaining electrochemical stability with better electromechanical performance independently of humidity level. [BMIM]Cl was successfully synthesized and characterized through Nuclear Magnetic Resonance, Infrared Spectroscopy with Fourier Transform and Cyclic Voltammetry (CV). IPMC electrochemical behavior was studied through Electrochemical Impedance Spectroscopy, CV and Chronoamperometry, while the electromechanical properties were measured through blocking force and displacement, and mass loss with Thermogravimetric Analysis. IPMC-[BMIM]Cl tests were performed in distinct humidities (30%, 60% and 90%). Concentration of 0.3 mol L-1 provided electrochemical stability with the best electromechanical performance regardless of relative humidity. This result will be important for enhance the devices performance and efficiency.No campo de atuadores suaves, dispositivos do tipo Compósito PolímeroIonomérico e metal (IPMC) são cada vez mais pesquisados, pois exibem grande deslocamento ao ser aplicado um baixo potencial elétrico. Seu mecanismo de trabalho está relacionado com a migração de eletrólitos solvatados no interior da membrana polimérica, portanto, o tipo de contraíon possui papel fundamental no desempenho do dispositivo. Além disso, a necessidade de manter a membrana hidratada limita o uso dos IPMC’s em ambientes secos. Os líquidos iônicos (ILs) são usados no IPMC para resolver a dependência do ambiente, porém, com o ônus do desempenho eletromecânico. Assim, o objetivo deste trabalho foi estudar as propriedades eletroquímicas, eletromecânicas e térmicas de IPMCs de Nafion®/Pt com diversos contraíons (H+, Li+, Na+ e [BMIM]+) e determinar uma concentração ótima de líquido iônico cloreto de 1-butil-3-metilimidazol ([BMIM]Cl) entre 0,1; 0,3 e 0,5 mol L-1 que conferisse estabilidade eletroquímica em diferentes umidades relativas com melhor desempenho eletromecânico. O [BMIM]Cl foi sintetizado e caracterizado através de Ressonância Magnética Nuclear, Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier e Voltametria Cíclica (VC). As propriedades eletroquímicas de IPMC’s foram estudadas através de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica, VC e Cronoamperometria, as propriedades eletromecânicas foram medidas através da força de bloqueio e deslocamento e a perda mássica através de Análise Termogravimétrica. Os testes do IPMC-[BMIM]Cl foram realizados em três umidades distintas (30%, 60% e 90%). Finalmente, a concentração de [BMIM]Cl de 0,3 mol L-1 proporcionou estabilidade eletroquímica com o melhor rendimento eletromecânico independentemente da umidade relativa. Este resultado será importante para a realização de misturas eletrolíticas, o que pode melhorar ainda mais o desempenho e a eficiência desses dispositivos.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)23038.021524/2016-8888887.569936/2020-00porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessIPMC[BMIM]Cllíquido iônicoconcentração molarionic liquidmolar concentrationENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSEstudo da influência de contraíons nas propriedades eletroquímicas, eletromecânicas e térmicas de compósito polímero ionomérico metal (IPMC) de Náfion®/PtStudy of counterion influence on electrochemical, electromechanical and thermal properties of ionomeric polymer metal composite (IPMC) composed of Nafion®/Ptinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis600600fcf976e4-5d83-44e4-9a3e-fd4cb4cbdbc2reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALKaique Afonso Tozzi - Tese.pdfKaique Afonso Tozzi - Tese.pdfTeseapplication/pdf4390985https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16537/1/Kaique%20Afonso%20Tozzi%20-%20Tese.pdf95bc1f53ce793cb63fd73fea3645daccMD51BCO carta comprovante autoarquivamento.pdfBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfBCo carta comprovanteapplication/pdf251689https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16537/2/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf7b657107861f73a746ae235969352af9MD52CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16537/3/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53TEXTKaique Afonso Tozzi - Tese.pdf.txtKaique Afonso Tozzi - Tese.pdf.txtExtracted texttext/plain226412https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16537/4/Kaique%20Afonso%20Tozzi%20-%20Tese.pdf.txtf8a3407a8b2f9f6b391cd11b5f01e044MD54BCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtExtracted texttext/plain1514https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16537/6/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf.txt361712b1f6a51170ba5277944a4853efMD56THUMBNAILKaique Afonso Tozzi - Tese.pdf.jpgKaique Afonso Tozzi - Tese.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6577https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16537/5/Kaique%20Afonso%20Tozzi%20-%20Tese.pdf.jpgcc71993e2ae7babc50ad88a19da10781MD55BCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg11015https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16537/7/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf.jpg1468b7223c0547ed158b26116e83a67aMD57ufscar/165372023-09-18 18:32:34.219oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/16537Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:34Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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