Columnar liquid-crystalline polymers containing Nitrogen at the backbone to be used to prepare ion-transport membranes

Abstract

El canvi climàtic, l'escalfament global i les emissions de gasos d'efecte hivernacle són alguns dels problemes que la nostra generació ha d'afrontar i resoldre. En la cerca d'una solució a aquests reptes, les tecnologies de piles de combustible i, en particular, les piles de combustible de membrana d'electròlit polimèric, han sorgit com a alternatives als combustibles fòssils. Els polímers de cristalls líquids de cadena lateral presenten característiques úniques, com l'autoassemblatge, que els fan candidats prometedors per al desenvolupament de membranes conductores de protons. En aquest treball presentem la síntesi i caracterització de poli(2-oxazolina)s dendronitzades, així com el seu precursor monomèric. Es van preparar membranes híbrides amb aquestes noves poli(2-oxazolina)s utilitzant una tela de polièster com a suport. Aquestes membranes van ser àmpliament caracteritzades i es van realitzar estudis de transport utilitzant diferents tècniques, com voltametria d’escombratge lineal, espectroscòpia d'impedància electroquímica i proves de permeabilitat. Les troballes observades durant aquestes investigacions van reportar l'ús potencial d'aquestes membranes per a aplicacions en piles de combustible, la qual cosa es basa en la seva excel·lent selectivitat de protons. A la segona part d'aquesta tesi, dissenyem suports de fusta de base biològica. La fusta deslignificada presenta característiques úniques que permeten la formació de nous materials compostos de base biològica. Aprofitant l'organització jeràrquica natural dels porus de la fusta, és possible utilitzar aquests discos de fusta com a suports per a la preparació de membranes híbrides de cristalls líquids conductores de protons mitjançant la infiltració d'un polièter dendronitzat dins dels porus del suport. Per tant, es va dur a terme un estudi profund que va involucrar la preparació, optimització i caracterització de discos de fusta deslignificats i funcionalitzats. A més, es van caracteritzar les membranes híbrides muntades amb aquests dos suports i es van investigar les seves propietats de transport iònic, revelant que aquestes membranes tenien una excel·lent selectivitat de protons.

El cambio climático, el calentamiento global y las emisiones de gases de efecto invernadero son algunos de los problemas que nuestra generación tiene que enfrentar y resolver. En la búsqueda de una solución a estos desafíos, las tecnologías de celdas de combustible y, en particular, las celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico han surgido como alternativas a los combustibles fósiles. Los polímeros de cristales líquidos de cadena lateral presentan características únicas, como el autoensamblaje, que los hacen candidatos prometedores para el desarrollo de membranas conductoras de protones. En este trabajo presentamos la síntesis y caracterización de poli(2-oxazolina)s dendronizadas, así como su precursor monomérico. Se prepararon membranas híbridas con estas nuevas poli(2-oxazolina)s utilizando una tela de poliéster como soporte. Estas membranas fueron ampliamente caracterizadas y se realizaron estudios de transporte utilizando diferentes técnicas, como voltametría de barrido lineal, espectroscopía de impedancia electroquímica y pruebas de permeabilidad. Los hallazgos observados durante estas investigaciones reportaron el uso potencial de estas membranas para aplicaciones en celdas de combustible, lo cual se basa en su sobresaliente selectividad de protones. En la segunda parte de esta tesis, diseñamos soportes de madera de base biológica. La madera deslignificada presenta características únicas que han permitido la formación de nuevos materiales compuestos de base biológica. Aprovechando la organización jerárquica natural de los poros de la madera, es posible utilizar estos discos de madera como soportes para la preparación de membranas híbridas de cristales líquidos conductores de protones mediante la infiltración de un poliéster dendronizado dentro de los poros del soporte. Por lo tanto, se llevó a cabo un estudio profundo que involucró la preparación, optimización y caracterización de discos de madera deslignificados y funcionalizados. Además, se caracterizaron las membranas híbridas ensambladas con estos dos soportes y se investigaron sus propiedades de transporte iónico, revelando que estas membranas tenían una excelente selectividad de protones.

Climate change, global warming, greenhouse gas emissions are some of the problems that our generation has to face and solve. Pursuing a solution to these challenges, fuel cell technologies and, in particular, polymer electrolyte membrane fuel cells have emerged as alternatives to fossil fuels. Side chain liquid crystalline polymers present unique characteristics such as self-assembly that make them promising candidates for the development of proton conducting membranes. In this work we present the synthesis and characterization of dendronized poly(2-oxazoline)s, as well as their monomer precursor. Hybrid membranes were prepared with these new poly(2-oxazoline)s using a polyester fabric as a support. These membranes were widely characterized, and transport studies were carried out using different techniques, such as linear sweep voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy and permeability tests. The findings observed during these investigations reported the potential use of these membranes for fuel cell applications, which relies on their outstanding proton selectivity. At the second part of this thesis, we design bio-based wood supports. Delignified wood present unique characteristics that has allowed the formation of new bio-based composite materials. Taking advantage of the natural hierarchical organization of wood pores, it is possible to use these wooden discs as supports for the preparation of hybrid proton-conducting liquid crystalline membranes by the infiltration of a dendronized polyether inside the pores of the support. Therefore, an in-depth study that involved the preparation, optimization, and characterization of delignified and functionalized wood discs was carried out. Besides, hybrid membranes assembled with these two supports were characterized and their ion transport properties were investigated, revealing that these membranes had excellent proton selectivity.