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Liquidi ionici come elettroliti per celle a combustibile

Informazioni tesi

  Autore: Marco Basciu
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2011-12
  Università: Università degli Studi di Pisa
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria chimica
  Relatore: Vincenzo Tricoli
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 140

L'obiettivo del presente lavoro di tesi è stato lo studio dei liquidi ionici. L'attenzione è stata rivolta al possibile utilizzo dei liquidi ionici come elettroliti per celle a combustibile. L'utilizzo dei liquidi ionici nelle fuel cells potrebbe costituire una valida alternativa alle celle ad elettrolita polimerico (Proton electrolyte membrane fuel cells, PEMFC). Le PEMFC operano in condizioni umidificate in un range di temperatura compreso tra 70 e 100°C, utilizzando invece i liquidi ionici è possibile lavorare a temperature superiori, trovandoci in condizioni anidre.
Il lavoro svolto durante il tirocinio ha previsto le seguenti fasi:
• Scelta dei liquidi ionici e delle condizioni operative per la sintesi dei suddetti
• Prove di solubilità
• Sintesi dei liquidi ionici
• Caratterizzazione chimico – fisica
• Caratterizzazione elettrica
La tesi è stata così articolata: nella prima parte vengono trattati gli aspetti teorico – pratici delle fuel cells e dei liquidi ionici, illustrandone applicazioni pratiche e passando in rassegna la letteratura disponibile. Nella seconda parte verrà esposta e la parte sperimentale del lavoro di tirocinio e verranno discussi i risultati.
Sono stati preparati otto liquidi ionici di cui sei hanno mostrato, mediante analisi termo gravimetrica, elevata stabilità termica. Quest'ultimi sono stati caratterizzati mediante analisi DSC (calorimetria a scansione differenziale) e EIS (spettroscopia di impedenza elettrochimica). Analogamente a quanto accade per molti liquidi ionici, hanno temperature di fusione diverse da quelle di solidificazione. Per effettuare le misure di conducibilità protonica è stata utilizzata una cella in materiale plastico, immersa in un bagno a olio, in cui è stato collocato un campione del composto da analizzare. Sono state effettuate misure nel range 25 – 180°C in riscaldamento e in raffreddamento. I risultati hanno mostrato che i liquidi ionici da me preparati presentano conducibilità protonica relativamente elevata allo stato solido, intorno ai 150°C è dell'ordine di 10 -3 S cm-1, e allo stato fuso la conducibilità è dell'ordine di 10-2-10-1 S cm-1, paragonabile quindi a quella del Nafion ® in presenza di acqua a 80-90°C.
La conducibilità, analogamente a quanto riportato in letteratura, è risultata essere molto influenzata dal contenuto di acqua. L'andamento della conducibilità con la temperatura è di tipo Arrhenius, sono state pertanto stimate le energie di attivazione del processo che determina la conducibilità protonica in fase solida e, quando disponibili i dati, anche in fase liquida. Purtroppo non è stato possibile trovare una relazione particolare fra i vari valori di energia di attivazione ottenuti.
Per i campioni aventi un contenuto di acqua maggiore l'energia di attivazione è risultata sistematicamente minore dei corrispondenti campioni anidrificati: ciò conferma la sua importanza e partecipazione al processo che determina la conducibilità protonica.
Sulla base dei risultati ottenuti su scala di laboratorio si può concludere che l'utilizzo dei liquidi ionici in celle a combustibile potrebbe essere una valida alternativa ai comuni elettroliti polimerici

Gli sviluppi futuri di questo lavoro potrebbero riguardare la variazione della conducibilità protonica e delle energie di attivazione al variare del contenuto d'acqua, da determinarsi in maniera precisa, ad esempio con tecniche NMR (risonanza magnetica nucleare), e il test di liquidi ionici in celle a combustibile per valutarne le prestazioni e compararle con quelle ottenibili da altri elettroliti polimerici attualmente utilizzati.

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6 INTRODUZIONE Negli ultimi anni l’opinione pubblica vede la chimica e i prodotti derivati dall’industria chimica come qualcosa di cui temere, da diminuire e da evitare. È stata però la chimica a contribuire al progresso e ad un significativo miglioramento della qualità della nostra vita. L’idea negativa della chimica si sviluppa principalmente tra gli anni 70 – 80, a partire da incidenti catastrofici, quali Seveso o Bhopal, dovuti sia a una cattiva gestione, sia all’assenza di normative specifiche. Solo negli ultimi anni viene data la giusta attenzione all’impatto dei processi sulla salute dell’uomo e dell’ambiente. Le leggi non sono però sufficienti, serve un modo innovativo di pensare la chimica, per questo motivo è nata la Green Chemistry (GC). La prima legge preventiva in materia di inquinamento è la “Pollution Prevention Act”, promulgata nel 1990. L’anno seguente negli Stati Uniti l’ Environmental Protection Agency (EPA) inizia a interessarsi alla GC, definita come progettazione, sviluppo e implementazione di prodotti chimici e di processi che riducano o eliminino tanto l'uso quanto la formazione di sostanze pericolose per l'ambiente e la salute umana [1]. È necessario che la comunità scientifica e quella industriale considerino la salvaguardia dell’ambiente come una conditio sine qua non, sviluppando processi sempre più “puliti” ed efficienti. Uno degli obbiettivi primari della GC è dunque quello di ridurre i rifiuti derivanti dai processi chimici. I comuni solventi organici (volatile organic compounds, VOCs) rappresentano una classe di composti che vengono messi sotto accusa: non solo alcuni sono cancerogeni ma hanno ripercussioni sull’ambiente. Una valida alternativa a questi sembrano essere i liquidi ionici (ionic liquids, ILs), una classe numerosa di composti ionici con ottime capacità solventi e una tensione di vapore trascurabile, due dei requisiti fondamentali dei cosiddetti green solvents. In tale ambito si inserisce il presente lavoro di tesi il cui obbiettivo è stato lo studio dei liquidi ionici. L’attenzione è stata rivolta al possibile utilizzo dei liquidi ionici come elettroliti per celle a combustibile. L’utilizzo dei liquidi ionici nelle fuel cells potrebbe costituire una valida alternativa alle celle ad elettrolita polimerico (Proton electrolyte membrane fuel cells, PEMFC). Le PEMFC operano in condizioni

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Parole chiave

celle a combustibile
fuel cells
liquidi ionici
elettroliti
conducibilità protonica
conducilibità ionica
ionic liquids
arrhenius

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