Study of the application of PAH / PEDOT automated films: PSS LBL films in Nafion® membranes

Abstract

The present work aimed the fabrication of layer-by-layer nanostructured films of poly (allylaminehydrochloride) (PAH) and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) onto Nafion® 212 membranes. Nafion® is the most used polyelectrolyte in proton exchange membranes (PEM) fuel cells due to its high proton conduction and good chemical stability at ambient temperature. Therefore, this polyelectrolyte presents some disadvantages due to the high methanol permeability when applied in Direct Methanol Fuel Cells (DMFC), reducing drastically the performance of the device. We studied how ultrathin films of PAH/PEDOT:PSS influence the methanol permeability and proton conduction in the LbL modified membranes. Results indicated good adherence of the LbL films onto Nafion® 212 and also good action as a methanol barrier. Nonetheless, together with the methanol blocking there was also a reduction in the proton conductivity, which occurs due to the LbL dipping deposition on both sides of Nafion® 212, trapping water inside the Nafion membrane, and certainly affecting the proton conduction. Moreover, the LbL film deposition might use some important chemical groups present at the Nafion® surface, used to water permeation, also affecting the proton permeation throughout the membrane.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)O presente trabalho visou a fabricação de filmes automontados nanoestruturados (LbL, do inglês layer-by-layer) de poli(alilaminahidroclorada) (PAH) e poli(3,4-etilenodioxitiofeno)poli(estirenossulfado)(PEDOT:PSS) sobre membranas de Nafion® 212. O Nafion® é o polieletrólito mais usado em células combustíveis do tipo PEM (do inglês Proton Exchange Membrane) devido a sua alta capacidade de condução protônica e boa estabilidade química em temperatura ambiente. Entretanto, este polieletrólito apresenta a desvantagem da alta permeação de metanol quando aplicado em células combustíveis a base de metanol direto (DMFC, do inglês Direct Methanol Fuel Cell), que reduz drasticamente o desempenho do dispositivo. Estudamos como filmes ultrafinos de PAH/PEDOT:PSS influenciam a permeabilidade do metanol e a condução protônica de membranas de Nafion® modificadas com filme LbL. Os resultados indicaram boa aderência dos filmes nanoestruturados sobre o Nafion® 212, e ainda boa atuação como barreira à passagem de metanol. No entanto, junto com o bloqueio à passagem de metanol houve redução na condução protônica, que ocorre pelo fato da técnica LbL por imersão depositar material em ambos os lados no Nafion® 212, aprisionando a água no interior da membrana, que certamente afeta a condução protônica. Adicionalmente, a deposição do filme LbL pode estar usando alguns agrupamentos químicos importantes na superfície do Nafion®, utilizados para permeação de água, também afetando a condução protônica através da membrana