ES2553903B2 - Conductor iónico en estado de gel rígido - Google Patents
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Abstract
Gel rígido conductor eléctrico compuesto por un líquido iónico puro, el decil sulfato de 1-etil-3-metil imidazolio [EMIM][DSO{sub,4}] hidratado. Dicho gel rígido puede ser usado, (tal como se describe o mezclado con otros aditivos como disolventes, sales inorgánicas o nanopartículas) en dispositivos electroquímicos (como placas solares, baterías, condensadores,...), electrónicos, sanitarios, ópticos..., y en todas aquellas donde sea necesario el uso de pastas o cremas conductoras de la electricidad. La novedad principal es que el gel rígido conductor está formado por un compuesto puro hidratado que mantiene sus propiedades físicas al ambiente (es decir, ni se reseca ni absorbe humedad). Esto hace que tenga ventajas indudables respecto a otras cremas o pastas conductoras disponibles en el mercado.
Description
- CONDUCTOR IÓNICO EN ESTADO DE GEL RÍGIDO
- 5
- OBJETO DE LA INVENCiÓN
- La presente inve nción se refi ere a un material co nductor ió ni co en forma de gel rígido
- (no fluye pero es muy defonn able plásti camente). Está fennada por un solo compuesto
- quími co, el decil sulfato de l -etil -3-meti l imidazolio, que aunque en estado puro es un
- 10
- líquido viscoso a temperatura, presión y humedad ambiental, al hi dratarse co n la
- humedad atmosféri ca pasa al estado de ge l rígido. Éste estado se mantiene estable entre
- los 1SoC y los 600C. El objeto se extiende al procedi miento de obtención de esta
- sustancia y a sus posibles usos.
- 15
- ANTECE DENTES DE LA INVENCiÓN
- La combinación en un material de las propiedades de transpo rte de carga de
- disoluci ones iónicas líquidas con las pro piedades mecánicas de los sólidos es muy
- conveniente en muchos dispositivos electroq uímicos (baterias, supe rco ndensadores,
- célul as de combustible ...) debido a la gran versatilidad de fonnas y la facilidad de
- 20
- manipulación del estado sólido y a la alta conducti vidad ióni ca de los líquidos. Hasta la
- fecha, para obte ner estos materiales se han usado electrolitos poliméricos (también
- ll amados po límeros e1eclrolitos), materiales rel ativamente novedosos en los que se
- inmoviliza algún conductor iónico en el interi or de una matriz polimérica. Dentro de
- esta categoría de compuestos se han presentado:
- 2S
- -Polímeros electrolitos secos, conoc idos desde los primeros años 70, en los que se
- añade alguna sal en un polímero que actúa como disolvente sólido.
- -Geles poliméri cos electroli tos o polím eros electroJitos plastificados, que combinan un
- liquido iónico y una matriz polimérica, por ejemplo un copolímero de bloque y un
- líquido se lecti vamente soluble en las nanoestructuras autoasociadas. En esta categoría
- 30
- se han introducido recientemente ionogeles basados en la combinación de sales fund idas
- a temperatura ambiente (líquidos ióni cos) co n polímeros o gelificantes (J. Le Bideau, L.
- Viau y A. Vioux, lonogels, ¡onic liquid based hybrid materials, Chem. Soco Re v. 40,
- 907-25 (20 1 1)).
- -
- Composites electrolíticos, composites de polímeros electrolitos o también compositcs de cerámicas electrolíticas, que incluyen compuestos electroquimicamente inertes en las matrices poliméricas con el fin de buscar incrementos de conductividad o de la estabilidad en intcrfases. Una revisión reciente del estado del arte de polímeros eJectrolitos con abundantes referencias en todos los sistemas anterionncnte citados se puede encontrar en Manuel Stephan, Review on gel polyrner electrolytes ror lithium batteries European Polyrner Joumal 42, 21-42 (2006). En todos los casos es necesaria la presencia de un polímero o un material geliticante que proporcione la matriz sólida del sistema. Algunos de los usados en la actualidad incluyen óxido de polietileno, poliacetonitrilo, óxido de polipropileno, cloruro de polivinilo, etc. Hasta la fecha no se disponía de un compuesto puro, que basta hidrata rlo al ambiente para que combinase las características de alta conductividad iónica de los líquidos iónicos con propiedades mecánicas de los sólidos. Es en este punto donde la invención aquí comunicada supone un avance cualitativo en el estado del arte. Por otra parte, en la patente internacional N° PCTIEP20091003373, por Wasserscheid y col. publicada el 23 de diciembre de 2009, están recogidos varios compuestos de la misma familia de los alquil sulfatos ("alkyl sulfates" en inglés) al aquí presentado, aunque no exactamente el aquí recogido, el decil sulfato ("decyl sulfate"). Se describe además el procedimiento de obtención de dichos compuestos.
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCIÓN La invención proporciona un nuevo material conductor eléctrico con propiedades físicas singulares, es altamente defonnable pero no fluye. Además, presenta la ventaja de estar constituido por un único compuesto químico que al hidratarse le confiere la capacidad de transportar cargas eléctricas y las propiedades mecánicas antes mencionadas. Al estar constituido por un único compuesto, su preparación y caracterización son más fáciles que aquellos otros sim ilares existentes en la actualidad, habitualmente constituidos por dos o más compuestos o componentes (incluyendo un gelificante). En particular, dicho compuesto es decil sulfato de l-etil-3metil imidazolio en estado hidratado, es estable y fácil de manipular. Por tanto, este nuevo material sustituirá con ventaja muchos de los ya usados en los distintos ámbitos de las técnicas citadas anteriormente.
Así, un aspecto de la invención se refiere a un material conductor eléctrico que comprende hidrato de dccil sulfato de l-ctil-3-mctil imidazolio. El decil sulfato de l-ctil-3-mctil imidazolio es Un líquido iónico basado en el alquil sulfato de l-ctil-3-metil imidazolio, estando en este caso la cadena alquílica compuesta por diez átomos de carbono (decil sulfato). El material conductor eléctrico de la invención está en un estado llamado gel rígido, no fluye pero es muy deformable plásticamente, a temperatura, presión y humedad ambiental. La humedad ambiental hidrata el dccil sulfato de l-ctil-3-rnctil imidazolio hasta un punto a partir del cual sus propiedades físicas se mantienen estables al ambiente, siendo su contenido en agua dependiente del valor de la humedad relativa (entre un 12% y un 8% del peso del compuesto). Este estado de gel rígido lo mantiene entre los 15°C y los 60°C, por debajo congela como un cristal iónico (con muy baja conductividad eléctrica) y por encima licúa (fluye). En una realización particular, la invención se refiere a un material conductor eléctrico que consiste en hidrato de decil sulfato de l-etil-3-metil imidazolio. En una realización particular, el hidrato de decil sulfato de l-etil-3-metil imidazolio está
sustancialmente puro. Para la presente invención, "sustancialmente puro" se refiere a que csc compucsto se encuentra en una proporción superior de al menos 98%, preferiblemente igualo superior al 99%. La falta de pureza del compuesto impide la aparición del estado gel rígido. En una realización particular, el material conductor eléctrico descrito anterionnente pasa a estar en fonna de gel rígido al hidratarse. El material conductor eléctrico de la invención puede estar combinado y/o mezelado con otros componentes, como por ejemplo, sales, aditivos, etc. En una realización particular, la invención se refiere a un dispositivo que comprende el material conductor eléctrico de la invención como se ha descrito anterionnente. Opcionalmente el dispositivo puede comprender además aditivos y/o sales. El material conductor eléctrico de la invención tiene aplicación en dispositivos electroquímicos (como placas solares, haterías, condensadores, ... ), en electrónica, en el campo sanitario y en dispositivos ópticos, debido a sus propiedades físicas. Así, otro aspecto de la invención se refiere al uso del material conductor eléctrico, corno se ha descrito anterionnente, en dispositivos electroquímicos, electrónicos, ópticos y sanitarios.
- En otro aspecto, la invención se refiere al procedimiento para la preparación del
- material conductor eléctrico, como se ha descrito anteriormente, que comprende una
- reacción de transesterificación entre ¡-decanol y elil sulfato de l-etil-3-metil imidazolio
- en presencia de un ácido.
- S
- En una realización particular, el ácido se selecciona entre ácido metano sulfónico y
- ácido para-tolueno sulfónico.
- En una realización particul ar, la reacción tiene lugar entre 20°C y 600C.
- En una realización particular, el procedimiento comprende además una etapa previa
- para preparar el ctil sulfato de l-etil-3-metil imidazolio que comprende la reacción de
- 10
- cuatemización de etil sulfato de l-etil-3-metil imidazolio con sulfato de dietilo.
- En otro aspecto, la invención se refiere a un material conductor eléctrico obtenible
- mediante una reacción de transesterificación entre l -decanol y etil sulfato de l-etil-3
- metil imidazolio en presencia de un ácido.
- 15
- DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS
- Figura I es un esquema sintético de la preparación de decil sulfato de l -etil-J-metil
- imidazolio, representado en dos etapas: l. Etapa de cuatemización¡ 2. Etapa de
- transesterificaci6n.
- 20
- A continuación se recogen ejemplos que il ustran la invención pero no son limitativos de
- la misma.
- Ejemplo 1. Obtención de etil sulfato de l -etil-3-mctil imidazolio [EMIMJ[ESO,].
- El etil sulfato de l -etil-3-metil irnidazolio [EMIM][ESO,] fue preparado por alquilación
- directa del l-metil imidazol (127 rnrnol) con sulfato de dietilo (127 mmol) en tolueno
- 25
- (50 mI). El [EMIM][ES041 se obtuvo en fomla de un líquido incoloro con más de un
- 99% de pureza y elevado rendimiento (92%). La estructura del [EMIM][ES041fue
- confirmada por espcctroscopía de RMN)H y RMN_13C cuyos datos coincidieron
- plenamente con los descritos en bibliografia.
- Ejemplo 2. Obtención de decil sulfato de l-etil-)-metil imidazolio [EMIM][DS041.
- 30
- El [EMlrnJ[ESO, ] obtenido en el ejemplo 1, fue transformado en [EMlmJ[DSO,] a
- través de una reacción de transesterificación de la siguiente manera: sobre una mezcla
- de I-decanol (84 mmol) y [EMlmJ[ESO,] (42 rnmol) se añadió ácido metano sulfónico
- (4,2 mmol) y la mezcla resultante se dejó agitando a 40 oC durante 6-8 h. El etanol
- fonnado en el transcurso de la reacción fue evaporado continuamente mediante
destilación a vacío. El progreso de la reacción fue seguido mediante espectroscopia de RMN_1H. Una vez finalizada la reacción, la mezcla se neutralizó con una disolución acuosa de hidróxido sódico 0.5 M (8,5 mI) y el l-decanol en exceso fue extraído con terc-butil metil éter (3 x 25 mi). Después de la última extracción, el disolvente fue evaporado por completo mediante calentamiento a presión reducida dando lugar a un
residuo semi sólido. Después de la adición de acetona (25 mi), la mezcla resultante se mantuvo a -20 oC durante 12 h tras lo cual se observa la [ennación de un precipitado blanco (metanosulfonato sódico) que fue separado por filtración. Finalmente, el filtrado fue concentrado y sometido a agitación en alto vacío (0,2 Pa) durante 12 h a una temperatura de 70 oC para eliminar restos de disolvente yagua. El [EMIm](DS041fue obtenido con más de un 99% de pureza y elevado rendimiento (97%) en fonna de líquido muy viscoso e incoloro. 'H NMR (400 MHz, CDCI" ppm): 9.56 [s, lH, H-2], 7.40 [dd, 2H, J, ~ 1.8 Hz, J, ~ 9.0 Hz, H-4, H-5], 4.29 [e, 2H, J ~ 7.4 Hz, NCH,CH,], 4.01 [m, 5H, OCH,(CH,),CH" NCH3], 1.64 [m, 2Hz, OCH,CH,(CH,)¡CH3], 1.54 [1, 3H, J ~ 7.4 Hz, NCH,CH3], 1.31 [m, 14H, OCH,CH,(CH,)¡ CH3], 0.85 [1, 3H, J ~ 6.9 Hz, O(CH,),CH,]. I3C NMR
(100.6 MHz, CDCI" ppm): 136.8, 123.8, 122.1, 67.5, 45.0, 36.2,31.8, 29.6, 29.5, 29.4, 29.3, 29.2, 25.8, 22.5, 15.4, 14.0. Eleelrospray MS (mierOTOF Foeus) miz (%): 807 [(C6H"Nh(C"H2I04S),r (68), 460 [(C6H"N),(C "H2I 0 4S) + Ir (26), 459.2997 [(C6H"N),(C"H2I04S)r (Caic. para C"H" N404S: 459.3000, 100).
Ejemplo 3. Obtención del hidrato de decil sulfato de l-etil-3-metil imidazolio [EMIM][DS04]. Se deja el compuesto puro antes descrito abierto al ambiente, preferentemente extendido, y al cabo de unas horas se ha hidratado. Para acelerar el proceso se puede introducir el compuesto en una cámara de atmósfera controlada, con aire saturado de humedad. En pocos minutos tendremos el líquido iónico hidratado en fonna de gel rígido.
A 25 oC de temperatura la densidad del compuesto final es 1050 kglm3, su conductividad iónica es 2 S/m. mientras que su viscosidad es mayor de 20 Pa·s.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE
El etilsulfato de l-etil-3-metil imidazolio [EMIM][ESO,l fue preparado por alquilación
directa del l-metilimidazol (127 rumol) con sulfato de dietilo (127 rumol) en tolueno (50 mi). El [EMIM][ES041 se obtuvo en forma de un líquido incoloro con más de un 99% de pureza y elevado rendimiento (92%). La estructura del [EMIM][ES041fue confirmada por espectroscopía de RMN·'H y RMN· 13C cuyos datos coincidieron plenamente con los descritos en bibliografia. El [EMIm][ES041 obtenido fue transformado en [EMJm][DS041a través de una reacción de transesterificación de acuerdo con un procedimiento previamente descrito en bibliografia para la preparación de compuestos similares y que ha sido ligeramente modificado de la siguiente manera:
sobre una mezcla de I-decanol (84 mmol) y [EMlm][ESO,) (42 mmol) se añadió ácido
h. El etanol fonnado en el transcurso de la reacción fue evaporado continuamente mediante destilación a vacío. El progreso de la reacción fue seguido mediante espectroscopia de RMN-1H. Una vez finalizada la reacción, la mezcla se neutralizó con una disolución acuosa de hidróxido sódico 0.5 M (8 ,5 mi) y el I-decanol en exceso fue extraído con terc-butil metil éter (3 x 25 mi). Después de la última extracción, el disolvente fue evaporado por completo mediante calentamiento a presión reducida dando lugar a un residuo semisólido. Después de la adición de acetona (25 mi), la mezcla resultante se mantuvo a -20 oC durante 12 h tras lo cual se observa la formación de un precipitado blanco (metanosulfonato sódico) que fue separado por filtración. Finalmente, el filtrado fue concentmdo y sometido a agitación en alto vacío (0,2 Pa) durante 12 h a una temperatura de 70 oC para eliminar restos de disolvente yagua. El [EMlm][DS041fue obtenido con más de un 99% de pureza y elevado rendimiento (97%) en forma de líquido muy viscoso e incoloro.
'H NMR(400 MHz, CDCl" ppm): 9.56 [s, I H, H-2), 7.40 [dd, 2H, J, ~ 1.8 Hz, J, ~ 9.0 Hz, H-4, H-5], 4.29 [e, 2H, J ~ 7.4 Hz, NCH,CH1], 4.01 [m, 5H, OCH,(CH,),CH" NCHJ), 1.64 [m, 2Hz, OCI·J,CH,(CH,)7CH,), 1.54 [1, 3H, J ~ 7.4 Hz, NCH,CH,), 1.31 [m, 14H, OCH,CH,(CH,), CH,), 0.85 [t, 3H, J ~ 6.9 Hz, O(CH,),CH, ]. "C NMR
(100.6 MHz, CDCl" ppm): 136.8, 123.8, 122.1,67.5, 45.0, 36.2,31.8,29.6,29.5,29.4, 29.3, 29.2, 25.8,22.5, 15.4, 14.0. Electrospray MS (micrOTOF Focus) miz (%): 807 [(C,HIIN),(CIOH2104S),]' (68), 460 [(C,HIIN),(CIOH2104S) + 1]' (26), 459.2997 [(C,H"N),(CIOH210,S)]' (Cale. para C" H"N40 4S: 459.3000, 100).
Claims (4)
- REIVINDICACIONES
- 1.
- Sustancia conductora iónica en estado de gel rígido compuesta por decil sulfato de 1etil-J-metil imidazolio hidratado caracterizada por no fluir pero ser altamente deformable plásticamente. Dicho estado aparece entre ¡SQC y 60 oC, por debajo el gel rígido cristaliza formando tUl sólido cristalino no conductor eléctrico, mientras que por encima de 60°C el gel rígido se licúa y fluye.
-
- 2.
- Toda aquella mezcla obtenida a partir del compuesto anterior al que se le añada cualquier aditivo, en particular: sales jónicas, nanopartículas y disolventes orgánicos o inorgánicos.
-
- 3.
- Uso de la sal decil sulfato de l-etil-3-metil imidazolio [EMlm][DS04] hidratada para cualquier aplicación.
-
- 4.
- Procedimiento de obtención del decil sulfato de }-etil-j-metil imidazolio (EMlm][DS04J hidratado descrito en la reivindicación 1, que comprende las siguientes etapas:
- (a)
- Reacción de cuatemización entre l-metil imidazol y sulfato de dietilo en presencia de un disolvente para generar el etil sulfato de l-etil-3-metil imidazolio (EMIM](ES04].
- (b)
- Transformación del etil sulfato de l-etil-3-metil imidazolio [EMIM][ESO,] en decil sulfato de l-etil-3-metil imidazolio lEMIM][DS04] por tratamiento con l-decanol mediante una reacción de transesterificación catalizada con ácido.
- (c)
- Hidratación del [EMIM][DS04] por exposición a la humedad ambiente.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES201400476A ES2553903B2 (es) | 2014-06-10 | 2014-06-10 | Conductor iónico en estado de gel rígido |
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|---|---|---|---|
| ES201400476A ES2553903B2 (es) | 2014-06-10 | 2014-06-10 | Conductor iónico en estado de gel rígido |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2553903A1 ES2553903A1 (es) | 2015-12-14 |
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Family
ID=54782368
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES201400476A Active ES2553903B2 (es) | 2014-06-10 | 2014-06-10 | Conductor iónico en estado de gel rígido |
Country Status (1)
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|---|---|
| ES (1) | ES2553903B2 (es) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109174176B (zh) * | 2018-08-01 | 2021-07-06 | 沈阳工业大学 | 碱性离子液体催化剂及其制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006111712A2 (en) * | 2005-04-20 | 2006-10-26 | The Queen's University Of Belfast | Ionic liquids and uses thereof |
-
2014
- 2014-06-10 ES ES201400476A patent/ES2553903B2/es active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2553903A1 (es) | 2015-12-14 |
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