La finalidad de este objetivo es la síntesis y caracterización de membranas híbridas organoinorgánicas basadas en polímeros no fluorados, con elevada conductividad protónica y aniónica. Para ello se plantean tres líneas de actuación

La primera línea consiste en la preparación y caracterización de nanocomposites como membranas de intercambio protónico. Se modificará la polisulfona UDEL (PSU) con dos agentes sulfonantes: trimetilsilil clorosulfonato (TMSCS) y ácido colorosulfónico. Posteriormente, se dispersarán dos tipos de cargas inorgánicas en forma de nanopartículas: hidróxidos dobles laminares (LDH=layered double hydroxide) y heteropoliácidos (HPA) que son conductores protónicos con estructuras tipo Keggin. Los LDHs constituyen una familia de materiales inorgánicos de formula general [M_²⁺ 1−xM_³⁺ x (OH)₂](A_ⁿ⁻)x/n mH₂O, donde M²⁺ es un catión divalente (Mg, Ni, Zn, Cu), y M³⁺ es un catión trivalente (Al, Cr, Fe, V o Ga); x es un valor entre 0.2 y 0.4, que determina la densidad de carga de la capa y la capacidad de intercambio aniónico. Aⁿ⁻ es un anión intercambiable con carga formal n. Como HPA se usará fundamentalmente el ácido fosfomolíbdico (H₃PMo₁₂O₄₀), aunque también se utilizarán otros HPA más insolubles en agua como el H_0.5Cs_2.5PW₁₂O₄₀. Se estudiará cómo influyen en las características y prestaciones finales de las membranas resultantes variables como la cantidad de LDH, su dispersión, el grado de sulfonación de la PSU y la cristalinidad tanto las cargas inorgánicas como del polímero. Así mismo se estudiará la influencia del grado de basicidad de la carga inorgánica en la conductividad y en las prestaciones electroquímicas de las membranas.

En la segunda línea, se llevarán a cabo estudios para la preparación y estudio de copolímeros conductores protónicos. Se desarrollarán copolímeros al azar PEEKPES con grupos cardo y con diferentes proporciones molares de cada uno de los monómeros y posteriormente se sulfonarán con ácido clorosulfónico (SPEEKPESWC). Los polímeros que contienen el grupo cardo presentan una excelente tenacidad, estabilidad termooxidativa, elevadas temperaturas de transición vítrea y buena solubilidad. Para mejorar la tenacidad de estas membranas se propone la introducción de las cargas inorgánicas (LDH y HPA) que se han mencionado previamente. 

La tercera línea está orientada hacia la preparación y estudio de nanocomposites de membranas de intercambio aniónico. Se van a desarrollar polímeros alcalinos de altas prestaciones como la polisulfona modificada con un grupo de amonio cuaternario como grupo funcional catiónico (QAPS). Aunque el grupo de amonio cuaternario es el más ampliamente utilizado existen otros grupos catiónicos que se usan en la síntesis de membranas de intercambio aniónico. El comportamiento de la membrana alcalina está muy influido por la naturaleza del grupo funcional introducido por lo que la modificación química de la estructura del polímero puede dar lugar a una mejora de las propiedades electroquímicas de la membrana. Por lo tanto lo que se propone es la síntesis de membranas con diferentes grupos catiónicos: fosfonio cuaternarios, sulfonio terciarios, grupos guanidinio y grupos imidazol. Los buenos resultados obtenidos en nuestro grupo de investigación al estudiar el comportamiento de membranas de intercambio protónico hibridadas con hidrotalcitas y el hecho de que este tipo de sólidos tienen un carácter marcadamente básico nos hace pensar que con la incorporación de hidrotalcitas a la membrana QAPSOH se podrán optimizar las propiedades de la membrana para su utilización como electrolito en pilas de combustible.

Las actividades previstas para la consecución de los objetivos propuestos son:

Actividad 1:  Preparación y caracterización de nanocomposites como membranas de intercambio protónico. Estudio de la influencia en las características y prestaciones finales de las membranas resultantes variables como la cantidad de LDH, su dispersión, el grado de sulfonación de la PSU y la cristalinidad tanto las cargas inorgánicas como del polímero. Así mismo se estudiará la influencia del grado de basicidad de la carga inorgánica en la conductividad y en las prestaciones electroquímicas de las membranas.

Actividad 2: Preparación y estudio de copolímeros conductores protónicos. 

Actividad 3: Preparación y estudio de nanocomposites de membranas de intercambio aniónico. 

Los hitos previstos en el desarrollo del programa de investigación dentro de este objetivo son:

A los 18 meses:

1. Síntesis de nuevos electrolitos poliméricos protónicos y aniónicos basados en polisulfona modificada.
2. Caracterización del polímero modificado.
3. Optimización del proceso de dispersión de la nanocargas.
4. Optimización de la fabricación de membranas.
5. Caracterización térmica y estructural de las de las membranas.
6. 3 publicaciones científicas.
7. 5 comunicaciones a congresos.

A los 48 meses:

1. Continuación con síntesis y caracterización de las membranas preparadas.
2. Caracterización mecánica y electroquímica.
3. Estudio de los coeficientes de difusión de las membranas.
4. Escalado a un prototipo de monocelda comercial (en colaboración con Hidrogenia).
5. 3 publicaciones.
6. 5 comunicaciones a congresos.