Análisis experimental de corriente y deformación de solenoides de intercambio de iones de polímero de metal compuesto

Análisis experimental de corriente y deformación de solenoides de intercambio de iones de polímero de metal compuesto
Por E.T. Enikov y G.S. Seo

Resumen
En este artículo es descrito el análisis experimental de un inédito solenoide de intercambio de iones de polímero de metal compuesto bajo un gran voltaje externo. El análisis experimental está adicionado con un modelo termodinámico, el cualincluye transporte masivo a través del espesor del solenoide de polímero, reacciones químicas en sus límites y deformación como una función de la distribución del solvente. En este documento, el tema de los potenciales de grandes electrodos ha sido analizado experimental y teóricamente. En estos niveles de voltaje, reacciones electroquímicas toman lugar en ambos electrodos. Éstos son usados en elmarco de la teoría de la sobretensión para desarrollar condiciones limitantes para el transporte de agua en la masa del polímero. El modelo es después simplificado a un sistema de tres componentes compuesto de una matriz polimérica cargada negativamente, protones, y moléculas de agua libres dentro de la matriz polimérica. De entre estos componentes, las moléculas de agua son consideradas lasustancia predominante responsable de la deformación de los solenoides. Los experimentos realizados a partir de diferentes componentes del agua son descritos y discutidos en el contexto del mecanismo de deformación propuesto. La comparación de simulaciones numéricas con información experimental muestra buena concordancia.
Introducción
Las membranas de intercambio de iones tienen diferentesaplicaciones, que van desde pilas de combustible que utilizan hidrógeno hasta la producción de hidróxido de sodio o potasio (separación de iones). Cuando la estructura de las láminas es metal-polímero-metal, pueden también actuar como solenoides llamados solenoides de intercambio de iones de polímero de metal compuesto (IPMC por sus siglas en inglés). La estructura de este tipo de solenoide, mostrado enla fig. 1(a), consta de una matriz de polímero de intercambio de iones dispuesta entre dos electrodos de metal. Los solenoides IPMC pueden ser producidos mediante un método de platinización electroquímica basado en las propiedades de intercambio de iones del polímero. El método consta de dos pasos principales: (i) intercambio de protones de H+ con cationes de metal (Pt2+); (ii) reducción químicade los iones de metal sobre la superficie de la membrana con NaBH4. Los solenoides IPMC utilizados en este trabajo son NationTM compuestos de platino producidos por este proceso siguiendo detalladamente el protocolo de Oguro. El protocolo termina en una forma H+ del IPMC, producida al remojar el material en ácido clorhídrico diluido. La figura 2 muestra una microfotografía electrónica delcompuesto fabricado. La fotografía de la derecha muestra las partículas Pt (fase blanca) en el límite, indicando que la superficie del electrodo es aproximadamente de 0.8 micras de espesor.


Cuando una fuerza externa es aplicada entre los puntos A y B (Fig. 1(b)), los cationes en la masa del polímero migran hacia el cátodo, acarreando consigo moléculas de agua. El volumen asociado a dichas moléculasde agua causa expansión local de la matriz, resultando con esto la deformación del compuesto. A la fecha, la mayoría del trabajo ha sido realizado en un régimen de poco voltaje (debajo del equilibrio potencial de Pt a 1.2V), y la razón para esto es que las reacciones electroquímicas a altos voltajes producen gas. Si están encapsulados, estos solenoides tendrán problemas de empaquetamiento.Aplicando voltajes más altos, de cualquier forma, siempre se producirá una mayor deformación y, en varias aplicaciones (como en un catéter deformable o un robot nadador) los solenoides pueden estar en contacto directo con una solución electrolítica.
Bajo estas condiciones, las cuales son el objeto de este artículo, el transporte iónico, retrodifusión del agua y los gradientes de concentración deben...