Proton exchange membranes based on columnar side-chain liquid crystalline polyethers and polyamines

Abstract

En l’àmbit de la investigació, els científics intenten extreure idees de la natura per poder obtenir dispositius tecnològics que ens permetin tenir una societat més sostenible. Durant los darreres dècades, un fenomen natural que ha estat profundament estudiat és el transport de protons. El transport de protons en sistemes naturals té lloc amb una alta selectivitat i eficiència tal i com passa en la fotosíntesis duta a terme per les plantes. Per aquesta raó, una gran part de la investigació en el camp de la conductivitat protònica té com a objectiu el desenvolupament de nous materials que puguin conduir protons y així puguin ser utilitzats en cel·les electroquímiques. Per a copiar aquest comportament, nosaltres dissenyem materials que continguin canals per al transport d’ions mitjançant l’auto-ensamblatge, en els quals els canals permeten el pas dels protons i simultàniament protegeixen el procés de transport de l’exterior. Els nostres estudis estan enfocats en la síntesis de polímers cristall-líquid que posteriorment s’utilitzaran per a obtenir membranes orientades que poden ser utilitzades en sistemes de transport de protons. Els polímers cristall-líquid sintetitzats tenen que tenir una estructura adecuada per a ser utilitzats en sistemes de transport protónic. Així doncs, nosaltres hem modificat químicament poliamines [poli-2-(aziridin-1-il)-etanol] i poliéters (poliglicidol lineal) amb un grup lateral de forma cònica plana (“tapered”) obtenint polímers amb diferents graus de modificació. Un cop unit al polímer, els grups “tapered” li confereixen propietats cristall-líquid. Els copolímers resultants s’organitzen en una estructura columnar mitjançant un procés d’auto-ensamblatge en una estructura columnar, degut a un procés d’auto-reconeixement dels grups “tapered”. Per tant, la cadena principal del polímer treballaria com un canal iònic. Després d’això, la preparació de membranes orientades que es basen en aquests materials polimèrics es va dur a terme. Finalment, les propietats de conducció de protons d’aquestes membranes van esser avaluades.

En el ámbito de la investigación, los científicos intentan encontrar ideas en la naturaleza que permitan desarrollar dispositivos tecnológicos que nos ayuden a tener una sociedad más sostenible. Durante las últimas décadas, un fenómeno natural que ha sido estudiado en profundidad ha sido el transporte de protones. El transporte de protones en los sistemas naturales tiene lugar con una alta selectividad y eficiencia, tal y como ocurre en la fotosíntesis llevada a cabo en las plantas. Por esta razón, mucha investigación en el campo de la conductividad protónica tiene como objetivo el desarrollo de nuevos materiales que puedan conducir protones y así puedan ser utilizados en celdas electroquímicas. Para copiar este comportamiento, en nuestro grupo diseñamos materiales que contengan canales para el transporte de iones mediante auto-ensamblaje, en los cuales los canales permiten el paso de los protones y simultáneamente protegen el proceso de transporte del exterior. Nuestros estudios están enfocados en la síntesis de polímeros cristal-líquido que posteriormente serán utilizados para obtener membranas orientadas que pueden ser utilizadas en sistemas de transporte de protones. Los polímeros cristal-líquido sintetizados tienen que presentar una estructura adecuada para ser utilizados en sistemas de transporte protónico. Así, hemos modificado químicamente poliaminas [poli-2-(aziridin-1-il)-etanol] y poliéteres (poliglicidol lineal) con un grupo lateral de forma cónica plana (“tapered”) obteniendo polímeros con diferentes grados de modificación. Una vez unido al polímero, los grupos “tapered” le confieren propiedades liquido-cristal. Los copolímeros resultantes se auto-ensamblan en una estructura columnar, debido a un proceso de auto-reconocimiento de los grupos “tapered”. Por lo tanto, la cadena principal del polímero trabajaría como un canal iónico. Después de esto, la preparación de membranas orientadas basadas en estos materiales poliméricos se llevó a cabo. Finalmente, las propiedades de conducción de protones de estas membranas fueron evaluadas.

In research, scientists try to extract guiding principles from nature in order to provide technological devices which allow us to live in a more sustainable society. During the last decades, one natural phenomenon that has been studied extensively is proton transport. Proton transport in natural systems occurs with high selectivity and efficiency like in the photosynthesis of green plants. For this reason, most research in the field of proton conductivity has been devoted to the development of new proton-conducting materials to be used in electrochemical cells. To mimic this behaviour, we design materials containing ion transport channels by self-assembling, in which the channels localise the permeation path and simultaneously protect the transport process against the environment. Our studies are focused on the synthesis of liquid-crystalline polymers which subsequently were employed to obtain membranes that can be used in proton transport systems. The synthesised liquid-crystalline polymers have to present a suitable structure to be used in proton transport systems. Hence, we chemically modify polyamines [poly-2-(aziridin-1-yl)-ethanol] and polyethers (linear polyglycidol) with a tapered dendron at different extent. Once grafted to the polymers, the dendrons confer to them liquid-crystalline behaviour. The resulting copolymers self-assemble into a columnar structure, due to an exo-recognition of the side-chain dendrons. Thus, the inner polymer chain could work as an ion channel. Afterwards, the preparation of oriented membranes based on these polymeric materials were carried out. Finally, these membrane are assessed as far as their proton conductive properties are concerned.