Especiación y conductividad protónica del ácido fosfórico nanoconfinado en sílice mesoporosa

Abstract

Introducción: Las celdas de combustible de ácido fosfórico comenzaron a ser estudiadas a principios de la década de 1960 utilizando H3PO4 como conductor de protones, y más tarde se convirtieron en las primeras celdas de combustible disponibles comercialmente. El H3PO4 también se utiliza como electrolito en celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico de baja y alta temperatura porque, a pesar de que el H3PO4 es un mal conductor, tiene la ventaja de que no se reduce electroquímicamente durante el funcionamiento de la celda. Los materiales inorgánicos de estado sólido de conductividad de protones, como los geles de fosfosilicato (P2O5- SiO2 o H3PO4-SiO2) con grupos Si-O-POH, con alta afinidad por el agua, también se consideran materiales electrolíticos prometedores para celdas de combustible de alta temperatura. Estos materiales podrían sustituir las membranas poliméricas convencionales y mejorar la eficiencia de estos dispositivos en condiciones de baja humedad a temperaturas tan altas como 200 °C. En este estudio se utilizó resonancia magnética nuclear (RMN) y se realizaron medidas de conductividad. Resultados: Comparando los espectros de RMN de 31P y 29Si de la sílice mesoporosa con tamaño de poro de 3 nm (G3) y 6 nm (G6), con H3PO4 en su interior y a 180°C, se puede observar gran similitud, presentando dos especies P-O-Si: una con estructura tetraédrica y otra, de mayor intensidad, con estructura octaédrica. En cambio, el espectro de la sílice mesoporosa con un tamaño de poro de 10 nm (G10), con H3PO4 y a 180°C presenta las mismas especies observadas en G3 y G6 pero con casi la misma intensidad. Además, en los espectros de 31P RMN de G10, la señal a -45 ppm tiene un “hombro” a -42 ppm, lo que indica que el fósforo que forma las estructuras octaédricas se encuentra en diferentes entornos. Esto puede deberse al nanoconfinamiento de H3PO4 en G3 y G6, observándose prácticamente sólo las especies octaédricas de P-O-Si, mientras que en sílice con poros de 10 nm se observan más especies. Estos resultados de G10 a 180 °C, son similares a los de H3PO4 libre en presencia de nanopartículas de sílice a 300 °C. Finalmente, se realizaron mediciones de conductividad, observándose que G10 conduce más que G3 y G6, e incluso más que el material formado por nanopartículas de sílice y H3PO4 libre. Conclusiones: Por tanto, se puede concluir que el ácido fosfórico nanoconfinado tiene mejores propiedades que el ácido libre, generando determinadas especies de sílico-fosfato a menor temperatura y por consiguiente, mejorando la conductividad.