EP2210305A1 - Membranes conductrices de protons pour pile a combustible presentant un gradient de protons et procedes de preparation desdites membranes - Google Patents

Membranes conductrices de protons pour pile a combustible presentant un gradient de protons et procedes de preparation desdites membranes

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EP2210305A1
EP2210305A1 EP08804638A EP08804638A EP2210305A1 EP 2210305 A1 EP2210305 A1 EP 2210305A1 EP 08804638 A EP08804638 A EP 08804638A EP 08804638 A EP08804638 A EP 08804638A EP 2210305 A1 EP2210305 A1 EP 2210305A1
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EP
European Patent Office
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grafts
exchange membrane
proton exchange
membrane according
fuel cell
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Withdrawn
Application number
EP08804638A
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German (de)
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Inventor
Thomas Berthelot
Marie-Claude Clochard
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to fuel cell proton conducting membranes having a proton gradient, to processes for producing such membranes and to fuel cell devices comprising such membranes.
  • the field of application of the invention is therefore that of fuel cells, and more particularly of fuel cells, comprising as electrolyte, a proton-conducting membrane, such as PEMFC ("Proton Exchange Membrane") fuel cells. Fuel Cell for Proton Exchange Membrane Fuel Cell).
  • a fuel cell generally comprises a stack of elementary cells in which an electrochemical reaction takes place between two reactants which are introduced continuously.
  • Fuel such as hydrogen, for cells operating with hydrogen / oxygen mixtures, or methanol for batteries operating with methanol / oxygen mixtures, is brought into contact with the anode, whereas the oxidant, generally oxygen, is brought into contact with the cathode.
  • the anode and the cathode are separated by an electrolyte of the ionic conductive membrane type.
  • the electrochemical reaction whose energy is converted into electrical energy, splits into two half-reactions: - an oxidation of the fuel, taking place at the anode / electrolyte interface producing, in the case of hydrogen cells, H + protons, which will cross the electrolyte in the direction of the cathode, and electrons, which join the external circuit, in order to contribute to the production of electrical energy;
  • the electrode-membrane-electrode assembly is a very thin assembly with a thickness of the order of a millimeter and each electrode is fed with the gases, for example using a fluted plate.
  • the ionic conducting membrane is generally an organic membrane containing ionic groups which, in the presence of water, allow the conduction of the protons produced at the anode by oxidation of hydrogen.
  • This membrane is generally between 50 and 150 microns and results from a compromise between the mechanical strength and the ohmic drop.
  • This membrane also allows the separation of gases.
  • the chemical and electrochemical resistance of these membranes allows, in general, a battery operation over periods greater than 1000 hours.
  • the polymer constituting the membrane must therefore fulfill a number of conditions relating to its mechanical, physicochemical and electrical properties which are, inter alia, those defined below.
  • the polymer must first be able to give thin films, 50 to 150 micrometers, dense, without defects.
  • the mechanical properties, elastic modulus, tensile strength, ductility, must make it compatible with assembly operations including, for example, clamping between metal frames.
  • the properties must be preserved by changing from dry to wet.
  • the polymer must have good thermal stability to hydrolysis and have good resistance to reduction and oxidation. This thermomechanical stability is appreciated in terms of variation of ionic resistance, and in terms of variation of the mechanical properties.
  • the polymer must finally have a high ionic conductivity, this conductivity being provided by acidic groups, such as carboxylic acid, phosphoric acid or sulfonic acid groups connected to the polymer chain.
  • acidic groups such as carboxylic acid, phosphoric acid or sulfonic acid groups connected to the polymer chain.
  • Membranes prepared with these products are inexpensive but do not have sufficient hydrogen stability at 50-60 ° C for long-term applications.
  • sulfonated polystyrene derivatives have a higher stability than sulfonated phenolic resins, but can not be used at more than 50-60 ° C.
  • acceptable performance is obtained from polymers consisting of a perfluorinated linear main chain and a side chain carrying a sulfonic acid group.
  • the membranes currently used and in particular the membranes of the NAFION® type have a limit to the level of the order using a temperature of 90 0 C, the phenomenon of aging after 3000-4000 hours of use and finally insufficient proton conduction.
  • the inventors therefore proposed to put in place membranes that solved the problems and, in particular, membranes with better proton conduction than existing membranes such as NAFION® membranes.
  • the invention relates to a proton conducting membrane for a fuel cell comprising a grafted (co) polymer comprising a main chain and grafts covalently linked to said main chain, said grafts comprising at least one proton attracting group and at least one proton donor group.
  • (co) polymer is meant a polymer comprising the same repeating units or a copolymer comprising different repeating units.
  • graft is meant a side chain covalently linked to the main chain of the (co) polymer, said graft comprising both a proton attractor group and a proton donor group.
  • proton attracting group is meant a group capable of fixing a proton, this binding being done by sharing a doublet free of an atom of said group with the proton or by electrostatic attraction with a negatively charged group.
  • the proton attractor group has an atom bearing a free doublet and / or is negatively charged.
  • groups bearing proton-withdrawing free doublets may be amino groups, such as primary amine groups (-NH 2 ), secondary amine groups (-NH-) included in a hydrocarbon linear chain. or included in an imidazole group, guanidine.
  • Negatively charged proton attractant groups may be salts of the carboxylic acid functions -CO 2 H, sulfonic acid -SO 3 H and phosphonic acid -PO 3 H 2 , functions -O-, S-.
  • proton donor group is meant a group capable of dissociating by releasing a proton. From a chemical point of view, these groups may be an acid group -CO 2 H, -SO 3 H or -PO 3 H 2 , a group -OH, -SH, an amino group salt, such as a salt of primary amine (-NH 2 ), secondary amine (-NH-) included in a hydrocarbon linear chain or included in a group such as an imidazole, guanidine group.
  • these groups may be an acid group -CO 2 H, -SO 3 H or -PO 3 H 2 , a group -OH, -SH, an amino group salt, such as a salt of primary amine (-NH 2 ), secondary amine (-NH-) included in a hydrocarbon linear chain or included in a group such as an imidazole, guanidine group.
  • proton donor and donor groups are respectively the members of a conjugated acid / base pair, characterized by a pK (dissociation constant) value in water.
  • the proton attractor group will be in a basic form while the proton donor group will be in acidic form, which means, in terms of pK values, that the pK of proton attractor group will be less than the pK of the proton donor group.
  • the pK value in water for a proton attractor group ranges from -15 to 6 (preferably from 3 to 5) while the pK value in water for a proton donor group ranges from 8 to 15 (preferably from 8 to 11).
  • the difference between the pK value of the donor group and the pK value of the attracting group is at least 0.5 and typically 5. This difference is manifested by a transfer of the protons from the proton donor group to the group. proton attractor, thus generating a proton gradient.
  • the abovementioned grafts may correspond to a hydrocarbon group, saturated or unsaturated, cyclic or acyclic, which may comprise one or more heteroatoms such as O, N and S and optionally substituted, such as by halogen atoms, such as fluorine, being understood that said hydrocarbon group will comprise both at least one proton attracting group and at least one proton donating group.
  • the grafts may correspond to an aliphatic hydrocarbon group, such as an alkyl group, preferably comprising from 1 to 22 carbon atoms, preferably from 6 to 16 carbon atoms, optionally substituted with one or more fluorine atoms.
  • this chain may be intercalated one or more oxygen atoms -0-, in which case it may be described as polyether chain.
  • the grafts may also correspond to an aromatic hydrocarbon group comprising one or more aromatic rings optionally comprising one or more heteroatoms such as O, N and S (in which case the chain may be described as a heterocyclic chain).
  • the grafts may comprise at least one amide linkage group of formula -NHCO-.
  • the grafts also include both at least one proton attracting group and at least one proton donor group.
  • Particular grafts according to the invention may be amino acid residues or peptide sequences.
  • amino acid conventionally means a hydrocarbon compound comprising both an organic acid function and an amine function, the most well-known representatives being ⁇ -amino acids. natural (carrying a carboxyl function -CO2H and an amino function -NH2). It may also be amino acids carrying a function analogous to the carboxyl function (for example -SO3H, -PO3H2) and an amino function -NH 2 .
  • amino acid residue is meant the amino acid residue resulting from the reaction of an -NH 2 function of the amino acid with a carboxyl function or the like of another compound to form an amide linkage (the other compound being, in this case, in our case, the main chain of the (co) polymer before grafting) or a function - CO2H or the like with an amino function or the like of another compound to form a amide bond (the other compound being, in this case, in our case, the main chain of the (co) polymer before grafting).
  • amino acids which may constitute, after the amidation reaction, grafts according to the invention in the form of amino acid residues, the following naturally occurring ⁇ -amino acids: arginine, asparagine, aspartic acid, glutamic acid, glutamine, histidine, lysine, these amino acids after grafting all constituting amino acid residues carrying both a proton attractor group
  • the amide bond can be done by reacting an NH 2 group of the amino acid (which is the case for arginine, asparagine, glutamine, histidine, lysine) or a -CO2H group of the amino acid (which is the case for aspartic acid, glutamic acid).
  • amino acid residues derived from unnatural amino acids having acid functions other than a carboxyl function said amino acids possibly being chosen from the following amino acids:
  • amino acid residues will have both a proton attracting group and a proton donating group.
  • amino acids capable of constituting grafts according to the invention are lysine, arginine, histidine in which case the grafts will correspond to the following amino acid residues of formulas (I) to (III):
  • the grafted (co) polymer may comprise other grafts which do not meet the definition given above (that is to say, not comprising at the same time a group proton attractor and a proton donor group). Grafts that do not meet the definition given above may be amino acid residues derived from amino acids, such as cysteine, proline, serine, threonine, tyrosine, of non-natural amino acids, such as those of the following formulas:
  • the grafted (co) polymers may comprise grafts corresponding to an amino acid residue derived from taurine, which grafts correspond to the following formula (IV):
  • the grafts may also correspond to a peptide sequence, namely a sequence resulting from a sequence of amino acid residues linked by amide bonds, in particular of natural ⁇ -amino acids, by an amidation reaction, being understood that the peptide sequence will comprise at least one proton attracting group and at least one proton donor group.
  • Amino acids that may be part of the constitution of said peptide sequences may be chosen from the amino acids listed above, and most particularly from lysine, aspartic acid, histidine and arginine.
  • Grafts corresponding to peptide sequences according to the invention may correspond to one of the following formulas:
  • the main chain of the graft (co) polymers constituting the membranes of the invention may be a hydrocarbon chain, aliphatic or aromatic, optionally comprising one or more heteroatoms, such as O, N, S, a halogen atom, preferably fluorine.
  • the backbone may advantageously be a backbone comprising a heterocyclic repeating unit, on which, in all or part, grafts as defined above are covalently bound.
  • the skeleton can thus be a polypyrrole skeleton.
  • constituent copolymers of the membranes of the invention may comprise the following repeating units:
  • membranes according to the invention can be one of the following membranes:
  • membranes are particularly advantageous in that they combine both the electronic conductivity of the polypyrrole backbone and the proton conductivity of the grafts. Moreover, these membranes, compared to NAFION® membranes for example, have a thermal stability beyond 90 0 C, stable mechanical properties in the presence of solvents such as water.
  • the backbone can consist of repeating units resulting from the polymerization of vinyl monomers, such as acrylic acid, vinylamine, which, before grafting, by their pendant functions -COOH and -NH2 are likely to form a covalent bond of the type amide with grafts of the "amino acid residue" or "peptide sequence” type.
  • the aforementioned vinyl monomers may advantageously comprise one or more fluorine atoms, the advantage being that a skeleton resulting from the polymerization of such monomers is resistant to corrosion, has good mechanical properties and low gas permeation.
  • the membranes of the invention can be constituted exclusively grafted (co) polymers as defined above.
  • the membranes of the invention comprise a polymeric support matrix comprising through pores, which pores are filled with graft (co) polymers as defined above.
  • the polymer support matrix is advantageously a polymer chosen from polyurethanes, polyolefins, polycarbonates and polyethylene terephthalates, these polymers being advantageously fluorinated or even perfluorinated.
  • fluorinated (co) polymers that may be suitable, mention may be made of polyvinylidene fluoride, copolymers of tetrafluoroethylene and tetrafluoropropylene (known by the abbreviation FEP), copolymers of ethylene and tetrafluoroethylene (known by the abbreviation ETFE) copolymers of hexafluoropropene and of vinylidene fluoride (known under the abbreviation HFP-co-VDF).
  • the support matrices made of a fluorinated (co) polymer are particularly advantageous in that they exhibit corrosion resistance, good mechanical properties and low gas permeation. They are therefore particularly suitable for entering into the constitution of fuel cell membranes.
  • polyvinylidene fluoride is chemically inert (particularly resistant to corrosion), has good mechanical properties, has a glass transition temperature, which varies from -42 ° C. to -38 ° C. as a function of the crystalline phase, a melting temperature of 170 ° C. and a density of 1.75 g / cm 3 .
  • This polymer is easily extruded and can be in particular in two crystalline forms, depending on the orientation of the crystallites: the ⁇ phase and the ⁇ phase, the ⁇ phase being characterized in particular by piezoelectric properties.
  • the through pores of the support matrix are, as indicated above, filled by the graft copolymers as defined above, and connect two opposite faces of the support matrix.
  • they are substantially cylindrical in shape. They can have a diameter ranging from 50 to 100 microns, in which case they can be described as micropores. They can also have a diameter ranging from 10 to 100 nm, in which case they can be described as nanopores.
  • the support matrices may comprise from 5.10 4 to 5.10 10 , preferably from 10 5 to 5.10 9 pores per cm 2 .
  • the membranes of the invention conventionally have a thickness of the order of 100 .mu.m, in particular a thickness ranging from 1 to 50 .mu.m.
  • the aforementioned grafted (co) polymers can be prepared according to several alternative embodiments.
  • the grafted (co) polymers may be prepared by a process comprising a reaction step of a base (co) polymer comprising pendant functions. X with at least one graft precursor comprising a function A capable of reacting with a pendant function X to form a covalent bond, reaction at the end of which the grafts are found bound to the base copolymer.
  • the pendant functions X can be carboxy functions -CO2H, optionally activated, for example, in the form of succinimide ester, while the functions A can be amino functions -NH2.
  • the precursors of grafts will be amino acids or peptide sequences comprising a free NH2 function capable of reacting with the carboxyl function optionally activated, to form an amide bond.
  • the amino acid or the peptide sequence will include, where appropriate, other functions -NH 2 protected by protective groups, so as to avoid side reactions.
  • the functions -NH 2 can be protected, for example, by protecting groups of Boc (t-butyloxycarbonyl), Fmoc (9-fluorenylmethyloxycarbonyl) type.
  • the process may comprise a reaction step of a base copolymer whose backbone comprises at least one unit repetitive of the following formula:
  • amino acid or peptide sequence comprising a function A as defined above, said amino acid or said peptide sequence being optionally protected at the level of the functions capable of reacting with the group X.
  • the method can thus comprise, once the grafting has been obtained, a step of deprotection of the protected functions.
  • R representing a graft corresponding to at least one of the formulas (I) to (VI) as defined above, it is possible, in a first step, to react with a base copolymer comprising the following repeating units:
  • X representing a group -CO2H, with respectively at least one of the following amino acids or peptide sequences:
  • this deprotection step may consist in bringing the graft copolymer into contact with a trifluoroacetic acid solution.
  • the grafted (co) polymers may be prepared by a process comprising a step of polymerizing at least one monomer bearing at least one side chain corresponding to the abovementioned grafts.
  • graft copolymer is a polyrrole copolymer comprising the following repeating units:
  • this copolymer may consist in the copolymerization of the following monomers:
  • R representing a graft comprising at least one proton-attracting group and at least one proton-donating group, in particular R possibly being an amino acid residue or a peptide sequence, more precisely still R being a graft corresponding to one formulas (I) to (VI) as defined above.
  • R is in position 3 of the ring, ie as follows:
  • the monomers capable of reacting to form the above-mentioned (co) polymers have the following formula:
  • R representing an amino acid residue or a peptide sequence, R being able to represent, in particular, a group of formulas (I) to (VI) as defined above, R being preferably in position 3 as defined above; above.
  • the grafted (co) polymers may be prepared by radiografting, the grafts being made by radical reaction with a previously irradiated polymer thus generating radical centers, this polymer conventionally being in the form of a membrane.
  • the irradiation of the polymer can be carried out by subjecting the base polymer to an electron beam (then electron irradiation) or a heavy ion beam.
  • the electron irradiation makes it possible to create radical centers throughout the volume of the base membrane. It is therefore possible with this type of irradiation to graft radically proton grafts providing proton proton conduction throughout the volume of the membrane.
  • the base membrane has a large thickness, it may be difficult to graft the heart of the grafts, since the diffusion of the compounds involved in the constitution of the grafts (such as monomers) can be difficult. It is important, in this case, to choose, appropriately, a suitable solvent, so as to reach the membrane in all its volume and including the heart thereof.
  • Heavy ion irradiation alters the base membrane only in irradiation traces, from which graft grafting can be performed.
  • the compounds likely to enter into the constitution of the grafts are only capable of grafting at the places where the irradiation has created radical centers in the membrane. (ie in the irradiation traces for heavy ion irradiation, in the volume of the membrane for electron irradiation).
  • the proton gradient is created by a suitable choice of molecules to be grafted onto the membrane base (eg amino acids or similar molecules). It can therefore be considered that the grafting of such molecules corresponds to a structuring of the base membrane by molecular packing, the molecules being positioned on the membrane so that a proton gradient can appear due to the local concentration of said molecules in the membrane. .
  • molecules to be grafted onto the membrane base eg amino acids or similar molecules.
  • the proton gradient can be made throughout the mass of the membrane, in which case it will result from the grafting of appropriate molecules following the electron irradiation of a base membrane.
  • a base membrane with the following molecules: a first molecule having an acid constant pKai, which diffuses and graft throughout the volume of the base membrane; a second molecule having an acid constant pKa2, which is grafted on one of the faces of the base membrane, this face being the only face to be exposed to this second molecule; a third molecule having an acid constant pKa3, which grafts on a face opposite to the face on which the second molecule is grafted, this opposite face being the only one to be exposed to this third molecule.
  • the pKa (pKai, pKa2 and pKa3) are chosen so as to allow proton exchange from one face to the other and thus to create a proton gradient.
  • the proton gradient can also be achieved by grafting the appropriate molecules into the latent traces left by the passage of a heavy ion beam.
  • symbolized molecules 1, 2, 3 and n respectively having acid constants pKai, pKa2, pKa3 and pKa n knowing that pKai>pKa2>pKa3> pKa n .
  • symbolized molecules 1, 2, 3 and n respectively having acid constants pKai, pKa2, pKa3 and pKa n knowing that pKai>pKa2>pKa3> pKa n .
  • the process for the preparation of said membranes will conventionally correspond to the processes for preparing said copolymers as explained in the first variant, the second variant or the third variant. variant embodiment.
  • the process for preparing such membranes may comprise the following steps: a step of producing said grafted (co) polymers, in particular according to the first variant or the second variant in the through pores of a polymeric support matrix;
  • the support matrix may be conventionally removed by destruction with a selective reagent which does not affect the grafted (co) polymers constituting the membranes of the invention.
  • the process for preparing said membranes comprises a step of implementing said method for producing (co) graft polymers mentioned above in the through pores of the support matrix.
  • the support matrix may be prepared beforehand by irradiation of a base membrane so as to create an organized porosity, which porosity determines the morphological characteristics of the future membrane of the invention, insofar as the preparation of the latter will be carried out within the porosity of the support matrix.
  • the irradiation step may be followed by a chemical etching step so as to finalize the structuring of the support matrix.
  • the irradiation step may be carried out by ion bombardment, such as xenon bombardment.
  • the support matrix may be made of a material chosen from polycarbonate (PC), polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyethylene terephthalate (PET).
  • PC polycarbonate
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PET polyethylene terephthalate
  • the through pores of the support matrix will be coated, initially, with a (co) ) base polymer comprising pendant functions X as defined above, then in a second step, the matrix will be brought into contact with a graft precursor comprising a function A as defined above.
  • the support matrix is brought into contact with a solution containing the appropriate monomers and the polymerization is conducted until obstruction of the through pores of said support matrix, generally until that the gas permeability is low, preferably close to that of a membrane which does not contain pores or a porosity of not more than 10% or typically equal to 5%. Further details on polymerization in the pores of a matrix can be found in FR 2,770,150.
  • the membranes of the invention exhibit, inter alia, improved protonic conduction compared to conventionally used membranes, such as membranes made of NAFION®. It is therefore natural that these membranes can be incorporated in fuel cell devices.
  • the invention also relates to a fuel cell device comprising at least one membrane as defined above.
  • This device comprises one or more electrode-membrane-electrode assemblies.
  • the membrane may be placed between two electrodes, for example carbon fabric impregnated with a catalyst.
  • the assembly is then pressed to a suitable temperature in order to obtain good electrode-membrane adhesion.
  • the electrode-membrane-electrode assembly obtained is then placed between two plates, providing electrical conduction and supply of reagents to the electrodes. These plaques are commonly referred to as bipolar plates.
  • This example illustrates the preparation of a membrane, which consists of a graft copolymer comprising a polypyrrole backbone and grafts derived from lysine of the following formula:
  • the prepared copolymer thus comprises the following sequence of units:
  • n denoting the number of repeating units of the square bracketed pattern and m the number of repeating units of the square bracketed pattern. It is understood that the patterns in square brackets may be arranged randomly in the chain.
  • R representing the graft derived from lysine, the formula of which is shown above, the reagents of stage 1 being N-hydroxysuccinimide (NHS) in the presence of 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) and water, while the reagents of step 2 are the amino acid lysine protected on certain functions in the presence of diisopropylethylamine (DIEA) and water for grafting said amino acid and trifluoroacetic acid (TFA) in the presence of water and triisopropylsilane (TIS) for the deprotection of the protected functions of the amino acid.
  • DIEA diisopropylethylamine
  • TIS triisopropylsilane
  • H-Lys (Boc) - OH is the following structural formula:
  • the functionalized polypyrrole copolymer is made in a two-compartment cell on a polycarbonate support matrix.
  • the carboxylated polypyrrole base copolymer (comprising pyrrole and pyrrole 3-carboxyl units) is deposited on the polycarbonate support matrix.
  • EDC (0.08 M) and NHS (0.16 M) are dissolved in an aqueous medium.
  • the two compartments of the cell are filled with 10 mL of the solution and the mixture is cooled to 4 ° C. After stirring for 1 hour at this temperature, the reaction mixture is stirred at room temperature for 3 hours.
  • the activated membrane is washed twice with distilled water.
  • the protected lysine amino acid (461.24 mg, 1.69 mmol) and DIEA (588 ⁇ L, 3.38 mmol) are dissolved in an aqueous medium and added to both compartments.
  • the resulting solution is stirred at room temperature for 12 hours.
  • the membrane is washed with water, dried and a solution of TFA / H 2 O / TIS (9.5: 0.25: 0.25) is added to the compartments. After 3 hours at room temperature, the TFA solution is removed and sodium hydroxide (2N) is added.
  • a membrane comprising pyrrole and 3-carboxylated pyrrole units is reacted with EDC (0.08 M) and NHS (0.16).
  • the protected lysine amino acid (416.24 mg, 1.69 mmol) and DIEA (588 ⁇ L, 3.38 mmol) are dissolved in an aqueous medium and added to both compartments. The resulting solution is stirred at room temperature for 12 hours. The membrane is washed with water, dried and a solution of TFA / H 2 O / TIS (9.5: 0.25: 0.25) is added to the compartments. After 3 hours at room temperature, the membrane obtained is washed again with fresh water and carefully dried at room temperature.
  • This example illustrates the preparation of a membrane, which consists of a graft copolymer comprising a polypyrrole backbone and grafts derived from arginine of the following formula:
  • the prepared copolymer thus comprises the following sequence of units:
  • n denoting the number of repeating units of the square bracketed pattern and m the number of repeating units of the square bracketed pattern.
  • R representing the graft derived from arginine, the formula of which is shown above, the reagents of step 1 being N-hydroxysuccinimide (NHS) in the presence of 1-ethyl-3- (3-chlorohydrochloride) dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) and water, while the reagents of step 2 are the amino acid arginine protected on certain functions in the presence of diisopropylethylamine (DIEA) and water for the grafting of said amino acid and the trifluoroacetic acid (TFA) in the presence of water and triisopropylsilane (TIS) for the deprotection of the protected functions of the amino acid.
  • DIEA diisopropylethylamine
  • TIS triisopropylsilane
  • H-Arg (Pmc) - OH is the following structural formula:
  • This example illustrates the preparation of a membrane, which consists of a graft copolymer comprising a polypyrrole backbone and grafts derived from histidine of the following formula:
  • the prepared copolymer thus comprises the following sequence of units:
  • R representing the histidine-derived graft, whose formula is shown above, the reagents of step 1 being N-hydroxysuccinimide (NHS) in the presence of 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) hydrochloride; carbodiimide (EDC) and water, while the reagents of step 2 are the protected histidine amino acid on certain functions in the presence of diisopropylethylamine (DIEA) and water for the grafting of said amino acid and trifluoroacetic acid (TFA) in the presence of water and triisopropylsilane (TIS) for the deprotection of the protected functions of the amino acid.
  • DIEA diisopropylethylamine
  • TIS triisopropylsilane
  • H-His (Trt) - OH is the following structural formula:
  • Two embodiments of the membrane have been implemented in the context of this example: an embodiment with a support matrix, this embodiment being identical to that set out in the context of example 1, if not is the introduction of the protected histidine amino acid in place of the protected lysine (at the rate of 671.77 mg, 1.69 mmol); an embodiment without a support matrix, this embodiment being identical to that set out in the context of Example 1, except for the introduction of the protected histidine amino acid in place of the protected lysine ( at a rate of 671.77 mg, 1.69 mmol).
  • This example illustrates the preparation of a membrane, which consists of a graft copolymer comprising a polypyrrole backbone and grafts derived from lysine, arginine and histidine (in proportions 1: 1: 1) of formulas following:
  • the prepared copolymer thus comprises the following sequence of units:
  • R represents indifferently a graft derived from lysine, an arginine-derived graft and a graft derived from histidine the three types of grafts being present in the copolymer in proportions of 1: 1: 1.
  • the reagents of step 1 being N-hydroxysuccinimide (NHS) in the presence of 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) and water
  • the reagents of step 2 are the amino acid lysine, the amino acid histidine and the amino acid arginine protected on certain functions in the presence of diisopropylethylamine (DIEA) and water for the grafting of said amino acids and trifluoroacetic acid (TFA) in the presence of water and triisopropylsilane (TIS) for the deprotection of protected amino acid functions.
  • DIEA diisopropylethylamine
  • TIS triisopropylsilane
  • the protected amino acid arginine corresponds to the following formula: H-Arg (Pmc) - OH is the following structural formula:
  • H-Lys (Boc) -OH is the following structural formula:
  • H-His (Trt) OH is the following structural formula:
  • This example illustrates the preparation of a membrane, which consists of a graft copolymer comprising a pyrrole backbone and grafts derived from lysine, arginine, histidine and taurine (in proportions 1: 1: 1: 1) of the following formulas:
  • the prepared copolymer thus comprises the following sequence of units:
  • R is indifferently a graft derived from lysine, a graft derived from arginine, a graft derived from histidine and a graft derived from taurine.
  • the reagents of step 1 being N-hydroxysuccinimide (NHS) in the presence of 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) and water
  • the reagents of step 2 are the amino acid lysine, the amino acid histidine, the amino acid arginine protected on certain functions and the amino acid taurine in the presence of diisopropylethylamine (DIEA) and water for the grafting said amino acids and trifluoroacetic acid (TFA) in the presence of water and triisopropylsilane (TIS) for the deprotection of protected amino acid functions.
  • DIEA diisopropylethylamine
  • TIS triisopropylsilane
  • the protected amino acid arginine corresponds to the following formula: H-Arg (Pmc) - OH is the following structural formula:
  • H-Lys (Boc) -OH is the following structural formula:
  • H-His (Trt) -OH is the following structural formula:
  • Two embodiments of the membrane have been implemented in the context of this example: an embodiment with a support matrix, this embodiment being identical to that set out in the context of Example 1, except for the introduction of the protected amino acids lysine, arginine, histidine and the amino acid taurine in place of the protected lysine amino acid only, in the following proportions respectively (104 mg, 4,225.10 -4 mol, 186.15 mg, 4,225.10 -4 mol, 167.9 mg, 4,225.10 -4 mol; 52.8 mg, 4,225.10 -4 mol); an embodiment without a support matrix, this embodiment being identical to that set out in the context of Example 1, except for the introduction of the protected amino acids lysine, arginine, histidine and the amino acid taurine in place of the protected lysine amino acid only, and in the following respective proportions (104 mg, 4,225 ⁇ 10 -4 mol, 186,15 mg, 4,225 ⁇ 10 -4 mol, 167,9 mg, 4,225 ⁇ 10 -4
  • This example illustrates the preparation of a membrane, which consists of a graft copolymer comprising a polypyrrole backbone and grafts of the following formula:
  • the prepared copolymer thus comprises the following sequence of units:
  • n denoting the number of repeating units of the square bracketed pattern and m the number of repeating units of the square bracketed pattern.
  • the reagents of step 1 being N-hydroxysuccinimide (NHS) in the presence of 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) and water
  • the reagents of step 2 are the appropriate peptide sequence protected on certain functions in the presence of diisopropylethylamine (DIEA) and water for the grafting of said amino acid and trifluoroacetic acid (TFA) in the presence of water and triisopropylsilane (TIS) for the deprotection of functions protected from the peptide sequence.
  • DIEA diisopropylethylamine
  • TIS triisopropylsilane
  • H-Asp (OtBu) -His (Trt) -Lys (Boc) -OH is the following structural formula:
  • H-Lys resin (Boc) -2-chlorotrityl (0.25 mmol) is coupled with the following amino acids (Fmoc- His (Trt), Fmoc-Asp (OtBu)) said amines being present in excess (10 parts) and whose -COOH functions are in the form of N-hydroxybenzotriazole ester in the presence of HBTU and DIEA.
  • the peptide resin obtained is placed in a syringe body comprising a sintered filter. A solution of 1% TFA in dry dichloromethane is added. The whole is allowed to act for two minutes and the resulting solution is filtered. The TFA reaction step followed by filtration is repeated 10 times.
  • the protected residual peptide sequence is washed to separate it from the resin successively with 3 * 30 ml of dichloromethane, 3 * 30 ml of methanol, 2 * 30 ml of dichloromethane and 3 * 30 ml of methanol. All the filtrates are combined and evaporated under reduced pressure to 5% of the volume. 40 mL of cold water is added and a white precipitate appears. The product is isolated by filtration and washed three times with cold water.
  • the functionalized polypyrrole copolymer is made in a two-compartment cell on a polycarbonate support matrix.
  • the carboxylated polypyrrole base copolymer is deposited on the polycarbonate support matrix.
  • EDC (0.08 M) and NHS (0.16 M) are dissolved in an aqueous medium.
  • the two compartments of the cell are filled with 10 mL of the solution and the mixture is cooled to 4 ° C. After stirring for 1 hour at this temperature, the reaction mixture is stirred at room temperature for 3 hours.
  • the activated membrane is washed twice with distilled water.
  • the prepared peptide sequence previously (15.9 mg, 0.02 mmol) and DIEA (173.9 ⁇ L, 1 mmol) are dissolved in an aqueous medium and added to both compartments.
  • the resulting solution is stirred at room temperature for 12 hours.
  • the membrane is washed with water, dried and a solution of TFA / H 2 O / TIS (9.5: 0.25: 0.25) is added to the compartments. After 3 hours at room temperature, the TFA solution is removed and soda
  • EXAMPLE 7 This example illustrates the preparation of a membrane, which consists of a polypyrrole backbone and grafts of the following formula:
  • the copolymer prepared in this example thus comprises the following sequence of patterns:
  • the reagents of step 1 being N-hydroxysuccinimide (NHS) in the presence of 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) and water
  • the reagents of step 2 are the appropriate peptide sequence protected on certain functions in the presence of diisopropylethylamine (DIEA) and water for the grafting of said amino acid and trifluoroacetic acid (TFA) in the presence of water and triisopropylsilane (TIS) for the deprotection of functions protected from the peptide sequence.
  • DIEA diisopropylethylamine
  • TIS triisopropylsilane
  • amino acids required for the preparation of this peptide sequence are as follows:
  • H-Lys (Boc) -2-chlorotrityl resin (0.25 mmol) is coupled with the following amino acids (Fmoc-His (Trt), Fmoc-Asp (OtBu), Fmoc-Lys (Dde ), Fmoc-Asp (OtBu), Fmoc-His (Trt), Fmoc-Arg (Pbf)), said amines being present in excess (10 parts) and whose -COOH functions are form of N-hydroxybenzotriazole ester in the presence N - [(1H- (benzotriazol-1-yl) dimethylamino) methylene] -N-methylmethanaminium hexafluorophosphate (HBTU) and diisopropylethylamine (DIEA).
  • HBTU HBTU
  • DIEA diisopropylethylamine
  • the resulting resin is resuspended in a solution of 2% hydrazine monohydrate in dichloromethane (20 mL / g resin). It is allowed to react for 3 minutes with careful hand shaking and the hydrazine treatment is repeated twice to ensure complete reaction.
  • the resin is washed successively with 2 * 20 ml of dimethylformamide, 2 * 20 ml of dichloromethane, 20 ml of methanol, 20 ml of dichloromethane and dried.
  • the functionalized polypyrrole copolymer is made in a two-compartment cell on a polycarbonate support matrix.
  • the carboxylated polypyrrole base copolymer is deposited on the polycarbonate support matrix.
  • 1-Ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) (0.08 M) and N-hydroxysuccinimide (NHS) (0.16 M) are dissolved in an aqueous medium.
  • the two compartments of the cell are filled with 10 mL of the solution and the mixture is cooled to 4 ° C. After stirring for 1 hour at this temperature, the reaction mixture is stirred at room temperature for 3 hours.
  • the activated membrane is washed twice with distilled water.
  • the previously prepared peptide sequence (15.9 mg, 0.02 mmol) and diisopropylethylamine (173.9 ⁇ L, 1 mmol) are dissolved in an aqueous medium and added to both compartments. The resulting solution is stirred at room temperature for 12 hours. The membrane is washed with water, dried and a solution of TFA / H 2 O / TIS (9.5: 0.25: 0.25) is added to the compartments. After 3 hours at room temperature, the TFA solution is removed and sodium hydroxide (2N) is added. After 2 hours at 80 ° C., the final membrane freed from the polycarbonate matrix is washed again with fresh water and carefully dried at room temperature.

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Abstract

L' invention a trait à une membrane échangeuse de protons de pile à combustible comprenant un (co) polymère greffé comprenant une chaîne principale et des greffons comprenant au moins un groupe attracteur de protons et au moins un groupe donneur de protons.

Description

MEMBRANES CONDUCTRICES DE PROTONS POUR PILE A
COMBUSTIBLE PRESENTANT UN GRADIENT DE PROTONS ET
PROCEDES DE PREPARATION DESDITES MEMBRANES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention a trait à des membranes conductrices de protons de pile à combustible présentant un gradient de protons, à des procédés d'élaboration de ces membranes ainsi qu'à des dispositifs de pile à combustible comprenant ce type de membranes . Le domaine d'application de l'invention est donc celui des piles à combustible, et plus particulièrement des piles à combustible, comprenant en tant qu' électrolyte, une membrane conductrice de protons, tels que les piles à combustible PEMFC (« Proton Exchange Membrane Fuel CeIl » pour Pile à combustible à membrane échangeuse de protons) .
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Une pile à combustible comporte, généralement, un empilement de cellules élémentaires, au sein desquelles a lieu une réaction électrochimique entre deux réactifs qui sont introduits de manière continue. Le combustible, tel que l'hydrogène, pour les piles fonctionnant avec des mélanges hydrogène/oxygène, ou le méthanol pour des piles fonctionnant avec des mélanges méthanol/oxygène, est amené au contact de l'anode, alors que le comburant, généralement l'oxygène, est amené au contact de la cathode. L'anode et la cathode sont séparées par un électrolyte du type membrane conductrice ionique. La réaction électrochimique, dont l'énergie est convertie en énergie électrique, se scinde en deux demi-réactions : - une oxydation du combustible, se déroulant à l'interface anode/électrolyte produisant, dans le cas des piles à hydrogène des protons H+, qui vont traverser l' électrolyte en direction de la cathode, et des électrons, qui rejoignent le circuit extérieur, afin de concourir à la production d'énergie électrique ;
- une réduction du comburant, se déroulant à l'interface électrolyte/cathode, avec production d'eau, dans le cas des piles à hydrogène. La réaction électrochimique a lieu, à proprement parler, au niveau d'un assemblage électrode- membrane-électrode .
L' assemblage électrode-membrane-électrode est un assemblage très mince d'une épaisseur de l'ordre du millimètre et chaque électrode est alimentée par les gaz, par exemple à l'aide d'une plaque cannelée.
La membrane conductrice ionique est généralement une membrane organique contenant des groupes ioniques qui, en présence d'eau, permettent la conduction des protons produits à l'anode par oxydation de l'hydrogène.
L'épaisseur de cette membrane est comprise en général entre 50 et 150 μm et résulte d'un compromis entre la tenue mécanique et la chute ohmique. Cette membrane permet également la séparation des gaz. La résistance chimique et électrochimique de ces membranes permet, en général, un fonctionnement en pile sur des durées supérieures à 1 000 heures.
Le polymère constituant la membrane doit donc remplir un certain nombre de conditions relatives à ses propriétés mécaniques, physico-chimiques et électriques qui sont, entre autres, celles définies ci-après .
Le polymère doit tout d' abord pouvoir donner des films minces, de 50 à 150 micromètres, denses, sans défauts. Les propriétés mécaniques, module élastique, contrainte à la rupture, ductilité, doivent le rendre compatible avec les opérations d'assemblage comprenant, par exemple, un serrage entre des cadres métalliques . Les propriétés doivent être préservées en passant de l'état sec à l'état humide.
Le polymère doit avoir une bonne stabilité thermique à l'hydrolyse et présenter une bonne résistance à la réduction et à l'oxydation. Cette stabilité thermomécanique s'apprécie en termes de variation de résistance ionique, et en termes de variation des propriétés mécaniques.
Le polymère doit enfin posséder une forte conductivité ionique, cette conductivité étant apportée par des groupements acides, tels que des groupements acide carboxylique, acide phosphorique ou acide sulfonique reliés à la chaîne du polymère.
Depuis plusieurs décennies, il a été proposé différents types de polymères conducteurs protoniques utilisables pour constituer des membranes de pile à combustible.
On a tout d'abord mis en oeuvre des résines de type phénolique sulfonées préparées par sulfonation de produits polycondensés, tels que les polymères phénol-formaldéhyde .
Les membranes préparées avec ces produits sont peu coûteuses, mais n'ont pas une stabilité à l'hydrogène suffisante à 50-60°C pour des applications de longue durée.
On s'est ensuite tourné vers les dérivés du polystyrène sulfoné qui présentent une stabilité supérieure à celle des résines phénoliques sulfonées, mais ne peuvent être utilisés à plus de 50-60°C. Actuellement, des performances acceptables sont obtenues à partir de polymères constituées d'une chaîne principale linéaire perfluorée et d'une chaîne latérale portant un groupement acide sulfonique.
Parmi ces polymères les plus connus, et qui sont disponibles dans le commerce, on peut citer les polymères déposés sous les marques NAFION® de la société Dupont de Nemours.
Toutefois, les membranes utilisées actuellement et notamment les membranes du type NAFION® présentent une limite au niveau de la température d'utilisation de l'ordre de 900C, un phénomène de vieillissement au bout de 3000-4000 heures d'utilisation et enfin une conduction protonique insuffisante . Les Inventeurs se sont donc proposés de mettre en place des membranes résolvant les problèmes susmentionnés et, en particulier, des membranes présentant une meilleure conduction protonique que celle des membranes existantes telles que les membranes en NAFION®.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Ainsi, les Inventeurs ont mis en place des membranes conductrices de protons à base de
(co) polymères greffés comportant des greffons particuliers, les caractéristiques fonctionnelles de ces (co) polymères greffés contribuant à créer un gradient à protons, générant une force motrice pour la circulation des protons au sein de la membrane, de telles membranes étant particulièrement adaptées pour les piles à combustible. Ainsi, l'invention a trait à une membrane conductrice de protons pour pile à combustible comprenant un (co) polymère greffé comprenant une chaîne principale et des greffons liés de façon covalente à ladite chaîne principale, lesdits greffons comprenant au moins un groupe attracteur de protons et au moins un groupe donneur de protons .
De part la présence sur les greffons d' au moins un groupe attracteur de protons et d' au moins un groupe donneur de protons, il s'ensuit un échange protonique entre ces deux groupes et par voie de conséquence une force motrice améliorant la circulation des protons au sein de la membrane et ainsi une meilleure conduction protonique.
Avant d'entrer plus en détail dans la description de l'invention, nous proposons les définitions suivantes. Par (co) polymère, on entend un polymère comprenant les mêmes motifs répétitifs ou un copolymère comprenant des motifs répétitifs différents.
Par greffon, on entend une chaîne latérale liée de façon covalente à la chaîne principale du (co) polymère, ledit greffon comprenant à la fois un groupe attracteur de protons et un groupe donneur de protons .
Par groupe attracteur de protons, on entend un groupe susceptible de fixer un proton, cette fixation se faisant par partage d'un doublet libre d'un atome dudit groupe avec le proton ou encore par attraction électrostatique avec un groupe chargé négativement. En d'autres termes, le groupe attracteur de protons comporte un atome porteur d'un doublet libre et/ou est chargé négativement. D'un point de vue chimique, des groupes porteurs de doublets libres attracteurs de protons peuvent être des groupes aminé, tels que des groupes aminé primaire (-NH2) , des groupes aminé secondaire (-NH-) inclus dans une chaîne linéaire hydrocarbonée ou compris dans un groupe imidazole, guanidine. Des groupes attracteurs de protons chargés négativement peuvent être des sels des fonctions acide carboxylique -CO2H, acide sulfonique -SO3H et acide phosphonique -PO3H2, des fonctions -O-, S-.
Par groupe donneur de protons, on entend un groupe apte à se dissocier en libérant un proton. D'un point de vue chimique, ces groupes peuvent être un groupe acide -CO2H, -SO3H ou -PO3H2, un groupe -OH, -SH, un sel de groupe aminé, tel qu'un sel d'aminé primaire (-NH2), d'aminé secondaire (-NH-) compris dans une chaîne linéaire hydrocarbonée ou compris dans un groupe tel qu'un groupe imidazole, guanidine.
Sans être lié aucunement par la théorie, les groupes attracteurs et donneurs de protons sont respectivement les membres d'un couple acide/base conjugué, caractérisé par une valeur de pK (constante de dissociation) dans l'eau. Sur un même greffon, selon l'invention, le groupe attracteur de protons se présentera sous une forme basique tandis que le groupe donneur de protons se présentera sous une forme acide, ce qui signifie, en termes de valeurs de pK, que le pK du groupe attracteur de protons sera inférieur au pK du groupe donneur de protons .
Généralement, la valeur de pK dans l'eau pour un groupe attracteur de protons s'échelonne de -15 à 6 (de préférence, de 3 à 5) tandis que la valeur de pK dans l'eau pour un groupe donneur de protons s'échelonne de 8 à 15 (de préférence, de 8 à 11) . Avantageusement, la différence entre la valeur de pK du groupe donneur et la valeur de pK du groupe attracteur est au moins égale à 0,5 et typiquement à 5. Cette différence se manifeste par un transfert des protons du groupe donneur de protons vers le groupe attracteur de protons, générant ainsi un gradient de protons.
Les greffons susmentionnés peuvent correspondre à un groupe hydrocarboné, saturé ou insaturé, cyclique ou acyclique, pouvant comporter un ou plusieurs hétéroatomes tels que O, N et S et éventuellement substituée, tel que par des atomes d'halogène, comme le fluor, étant entendu que ledit groupe hydrocarboné comprendra à la fois au moins un groupe attracteur de protons et au moins un groupe donneur de protons.
Par exemple, les greffons peuvent correspondre à un groupe hydrocarboné aliphatique, telle qu'un groupe alkyle, comportant, avantageusement de 1 à 22 atomes de carbone, de préférence de 6 à 16 atomes de carbone, substituée éventuellement par un ou plusieurs atomes de fluor. Dans cette chaîne peut s'intercaler un ou plusieurs atomes d'oxygène -0-, auquel cas elle pourra être qualifiée de chaîne polyéther.
Les greffons peuvent correspondre également à un groupe hydrocarboné aromatique comprenant un ou plusieurs cycles aromatiques comprenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes tels que O, N et S (auquel cas, la chaîne pourra être qualifiée de chaîne hétérocyclique).
Les greffons peuvent comprendre au moins un groupe de liaisons amide de formule -NHCO-.
Il est bien entendu que, dans tous les cas de figure, les greffons comportent également à la fois au moins un groupe attracteur de protons et au moins un groupe donneur de protons . Des greffons particuliers conformes à l'invention peuvent être des restes d'acide aminé ou des séquences peptidiques.
Par acide aminé, on entend classiquement un composé hydrocarboné comprenant à la fois une fonction acide organique et une fonction aminé, les représentants les plus connus étant les acides α-aminés naturels (porteur d'une fonction carboxyle -CO2H et d'une fonction aminé -NH2) . Il peut s'agir également d'acides aminés porteurs d'une fonction analogue à la fonction carboxyle (par exemple -SO3H, -PO3H2) et d'une fonction aminé -NH2.
Par reste d'acide aminé, on entend le reste d'acide aminé résultant de la réaction d'une fonction -NH2 de l'acide aminé avec une fonction carboxyle ou analogue d'un autre composé pour former une liaison amide (l'autre composé étant, en l'occurrence, dans notre cas de figure, la chaîne principale du (co) polymère avant greffage) ou bien d'une fonction - CO2H ou analogue avec une fonction aminé ou analogue d'un autre composé pour former une liaison amide (l'autre composé étant, en l'occurrence, dans notre cas de figure, la chaîne principale du (co) polymère avant greffage) .
On peut citer avantageusement comme acides aminés susceptibles de constituer, après réaction d'amidation, des greffons conformes à l'invention sous forme de reste d'acide aminé, les acides α-aminés naturels suivants : l'arginine, l' asparagine, l'acide aspartique, l'acide glutamique, la glutamine, l'histidine, la lysine, ces acides aminés après greffage constituant tous des restes d'acide aminé porteurs à la fois d'un groupe attracteur de protons
(ici, groupe aminé) et d'un groupe donneur de protons
(ici, groupe carboxyle) . Pour respecter cette condition, la liaison amide peut se faire par réaction d'un groupe NH2 de l'acide aminé (ce qui est le cas pour l'arginine, l' asparagine, la glutamine, l'histidine, la lysine) ou d'un groupe -CO2H de l'acide aminé (ce qui est le cas pour l'acide aspartique, l'acide glutamique) .
On peut citer également comme greffons les restes d'acides aminés issus d'acides aminés non naturels comportant des fonctions acides autres qu'une fonction carboxyle, lesdits acides aminés pouvant être choisis parmi les acides aminés suivants :
étant entendu, qu'après greffage, les restes d'acide aminé comporteront à la fois un groupe attracteur de protons et un groupe donneur de protons .
Avantageusement, des acides aminés susceptibles de constituer des greffons conformes à l'invention sont la la lysine, l'arginine, l'histidine auquel cas les greffons correspondront aux restes d'acide aminé de formules (I) à (III) suivantes :
Outre des greffons conformes à la définition donnée ci-dessus, le (co)polymère greffé peut comprendre d' autres greffons ne répondant pas à la définition donnée ci-dessus (c'est-à-dire ne comprenant pas à la fois un groupe attracteur de protons et un groupe donneur de protons) . Des greffons ne répondant pas à la définition donnée ci-dessus peuvent être des restes d'acide aminé issus d'acides aminés, tels que la cystéine, la proline, la serine, la thréonine, la tyrosine, d'acides aminés non naturels, tels que ceux de formules suivantes :
ou encore de composés de formules suivantes :
ces composés étant respectivement l'acide 3-méthyle-2, 4-disulfopentanedioïque, l'acide 2- sulfopropanoïque et l'acide 2, 3-disulfopropanoïque . En particulier, les (co) polymères greffés peuvent comprendre des greffons correspondant à un reste d'acide aminé issu de la taurine, lesquels greffons répondent à la formule (IV) suivante :
Les greffons peuvent correspondre également à une séquence peptidique, à savoir une séquence résultant d'un enchaînement de restes d'acides aminés liés par des liaisons amides, en particulier d'acide α- aminés naturels, par une réaction d'amidation, étant entendu que la séquence peptidique comprendra au moins un groupe attracteur de protons et au moins un groupe donneur de protons .
Des acides aminés pouvant entrer dans la constitution desdites séquences peptidiques peuvent être choisis parmi les acides aminés listés ci-dessus, et tout particulièrement parmi la lysine, l'acide aspartique, l'histidine, l'arginine. Des greffons correspondant à des séquences peptidiques conformes à l'invention peuvent répondre à l'une des formules suivantes :
la séquence peptidique de formule (V) résultant de l'enchaînement d'acides aminés acide aspartique- histidine-lysine, tandis que la séquence peptidique de formule (VI) résulte de l'enchaînement d'acides aminés arginine-histidine-acide aspartique-lysine-acide aspartique-histidine-lysine . La chaîne principale des (co) polymères greffés constitutifs des membranes de l'invention peut être une chaîne hydrocarbonée, aliphatique ou aromatique, comprenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes, tels que O, N, S, un atome d'halogène, de préférence du fluor.
Le squelette peut être avantageusement un squelette comprenant un motif répétitif hétérocyclique, sur lequel, en tout ou partie, sont liés de façon covalente des greffons tels que définis ci-dessus.
Le squelette peut être ainsi un squelette polypyrrole .
Plus précisément, les copolymères constitutifs des membranes de l'invention peuvent comprendre les motifs répétitifs suivants :
R représentant un greffon répondant aux définitions données ci-dessus.
On précise que la représentation : signifie que le groupe R peut être lié sur le cycle pyrrole des manières suivantes :
Ainsi, des membranes particulières conformes à l'invention peuvent être l'une des membranes suivantes :
- une membrane constituée d'un copolymère comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (I) ; une membrane constituée d'un copolymère comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (II) ;
-une membrane constituée d'un copolymère comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (III) ; - une membrane constituée d'un copolymère comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formules (I), (II) et (III) ; une membrane constituée d'un copolymère comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (I), (II), (III) et (IV) ; - une membrane constituée d'un copolymère comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (V) ; une membrane constituée d'un copolymère comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (VI) .
Ces membranes sont particulièrement avantageuses, en ce sens qu'elles combinent, à la fois, la conductivité électronique du squelette polypyrrole et la conductivité protonique des greffons. Qui plus est, ces membranes, par rapport à des membranes en NAFION® par exemple, présentent une stabilité thermique au-delà de 900C, des propriétés mécaniques stables en présence de solvants tels que l'eau.
Le squelette peut être constitué de motifs répétitifs issus de la polymérisation de monomères vinyliques, tels que l'acide acrylique, la vinylamine, qui, avant greffage, de part leurs fonctions pendantes -COOH et -NH2 sont susceptibles de former une liaison covalente de type amide avec des greffons du type « reste d'acide aminé » ou « séquence peptidique ». Les monomères vinyliques susmentionnés peuvent comprendre avantageusement un ou plusieurs atomes de fluor, l'avantage étant qu'un squelette issu de la polymérisation de tels monomères est résistant à la corrosion, présente de bonnes propriétés mécaniques et une faible perméation aux gaz.
Selon un premier mode de réalisation, les membranes de l'invention peuvent être constituées exclusivement des (co) polymères greffés tels que définis ci-dessus.
Selon un second mode de réalisation, les membranes de l'invention comprennent une matrice support polymérique comprenant des pores traversants, lesquels pores sont comblés par des (co) polymères greffés tels que définis ci-dessus.
La matrice support polymérique est avantageusement en un polymère choisi parmi les polyuréthanes, les polyoléfines, les polycarbonates, les polyéthylènetéréphtalates, ces polymères étant avantageusement fluorés, voire perfluorés. Parmi les (co) polymères fluorés susceptibles de convenir, on peut citer le polyfluorure de vinylidène, les copolymères de tétrafluoroéthylène et tétrafluoropropylène (connus sous l'abréviation FEP), les copolymères d'éthylène et de tétrafluoroéthylène (connus sous l'abréviation ETFE), les copolymères d' hexafluoropropène et de fluorure de vinylidène (connus sous l'abréviation HFP- co-VDF). Les matrices supports constituées d'un (co) polymère fluoré sont particulièrement avantageuses, en ce sens qu'elles présentent une résistance à la corrosion, de bonnes propriétés mécaniques et une faible perméation aux gaz. Elles sont donc particulièrement adaptées pour entrer dans la constitution de membranes de piles à combustible. En particulier, le polyfluorure de vinylidène est inerte chimiquement (résistant notamment à la corrosion) , présente de bonnes propriétés mécaniques, a une température de transition vitreuse, qui varie de -420C à -38°C en fonction de la phase cristalline, une température de fusion de 1700C et une densité de 1,75 g/cm3. Ce polymère s'extrude aisément et peut se présenter notamment sous deux formes cristallines, selon l'orientation des cristallites : la phase α et la phase β, la phase β se caractérisant notamment par des propriétés piézoélectriques.
Les pores traversants de la matrice support sont, comme indiqué ci-dessus, comblés par les copolymères greffés tels que définis ci-dessus, et relient deux faces opposées de la matrice support. Typiquement, ils sont de forme sensiblement cylindrique. Ils peuvent présenter un diamètre allant de 50 à 100 μm, auquel cas on peut les qualifier de micropores. Ils peuvent également présenter un diamètre allant de 10 à 100 nm, auquel cas on peut les qualifier de nanopores.
Classiquement, les matrices supports peuvent comporter de 5.104 à 5.1010, de préférence, de 105 à 5.109 pores par cm2. Que ce soit pour le premier ou le second mode de réalisation, les membranes de l'invention présentent, classiquement, une épaisseur de l'ordre de 100 μm, en particulier, une épaisseur allant de 1 à 50 μm. Les (co) polymères greffés susmentionnés peuvent être préparés selon plusieurs variantes de réalisation .
Ainsi, selon une première variante, les (co) polymères greffés peuvent être préparés par un procédé comprenant une étape de réaction d'un (co) polymère de base comprenant des fonctions pendantes X avec au moins un précurseur de greffon comprenant une fonction A apte à réagir avec une fonction pendante X pour former une liaison covalente, réaction à l'issue de laquelle les greffons se retrouvent liés au copolymère de base.
A titre d'exemple, les fonctions pendantes X peuvent être des fonctions carboxyles -CO2H, éventuellement activée, par exemple, sous forme d'ester de succinimide, tandis les fonctions A peuvent être des fonctions aminés -NH2.
Lorsque les greffons sont des restes d' acide aminé ou des séquences peptidiques et les fonctions pendantes X sont des fonctions carboxyles -CO2H, les précurseurs de greffons seront des acides aminés ou des séquences peptidiques comprenant une fonction NH2 libre apte à réagir avec la fonction carboxyle éventuellement activée, pour former une liaison amide. L'acide aminé ou la séquence peptidique comportera, le cas échéant, d'autres fonctions -NH2 protégées par des groupes protecteurs, de façon à éviter des réactions secondaires. Les fonctions -NH2 peuvent être protégées, par exemple, par des groupes protecteurs du type Boc (t-butyloxycarbonyl) , Fmoc (9- fluorénylméthyloxycarbonyl) . Lorsque les membranes sont constituées par des copolymères comprenant un squelette polypyrrole et des greffons consistant en des restes d'acide aminé ou des séquences peptidiques, le procédé peut comprendre une étape de réaction d'un copolymère de base dont le squelette comprend au moins un motif répétitif de formule suivante :
X étant tel que défini ci-dessus, et éventuellement un motif répétitif de formule suivante :
avec au moins un acide aminé ou séquence peptidique comprenant une fonction A telle que définie ci-dessus, ledit acide aminé ou ladite séquence peptidique étant éventuellement protégée au niveau des fonctions susceptibles de réagir avec le groupe X.
Le procédé peut comprendre ainsi une fois le greffage obtenu une étape de déprotection des fonctions protégées.
Ainsi, pour préparer une membrane à base d'un copolymère comprenant les motifs répétitifs suivants :
R représentant un greffon répondant à au moins l'une des formules (I) à (VI) telles que définies ci-dessus, l'on peut envisager dans un premier temps, de faire réagir un copolymère de base comprenant les motifs répétitifs suivants :
X représentant un groupe -CO2H, avec respectivement au moins l'un des acides aminés ou séquences peptidiques suivants :
et/ou
les acronymes OtBu, Pbf, Trt, Boc correspondant respectivement aux groupes : O-t-Butyle, N-ω-diméthyl- N-ωÂ' -2,2,4,6, 7-pentaméthyldihydrobenzofuran-5- sulfonyl, trityle, t-butyloxycarbonyle, suivie d'une étape de déprotection de façon à libérer les fonctions protégées, cette étape de déprotection pouvant consister à mettre en contact le copolymère greffé avec une solution d'acide trifluoroacétique .
Selon une seconde variante de réalisation, les (co) polymères greffés peuvent être préparés par un procédé comprenant une étape de polymérisation d'au moins un monomère portant au moins une chaîne latérale correspondant aux greffons susmentionnés.
Lorsque le copolymère greffé est un copolymère polyrrole comprenant les motifs répétitifs suivants :
la préparation de ce copolymère peut consister en la copolymérisation des monomères suivants :
R représentant un greffon comprenant au moins un groupe attracteur de protons et au moins un groupe donneur de protons, en particulier R pouvant être un reste d'acide aminé ou une séquence peptidique, plus précisément encore R pouvant être un greffon répondant à l'une des formules (I) à (VI) telles que définis ci-dessus. De préférence, R est en position 3 du cycle, c'est-à-dire de la façon suivante :
Les monomères, susceptibles de réagir pour former les (co) polymères susmentionnés, répondent à la formule suivante :
R représentant un reste d' acide aminé ou une séquence peptidique, R pouvant représenter, en particulier, un groupe de formules (I) à (VI) telles que définies ci- dessus, R étant de préférence en position 3 telle que définie ci-dessus.
Ces monomères sont classiquement préparés par réaction d' amidation d'un composé de formule suivante :
avec un acide aminé ou une séquence peptidique comprenant une fonction -NH2 libre.
Selon une troisième variante de réalisation, les (co) polymères greffés peuvent être préparés par radiogreffâge, les greffons étant réalisés par réaction radicalaire avec un polymère préalablement irradié générant ainsi des centres radicalaires, ce polymère se présentant classiquement sous forme de membrane .
L' irradiation du polymère (dit polymère de base) peut être réalisée en soumettant le polymère de base à un faisceau d'électrons (on parle alors d'irradiation électronique) ou à un faisceau d'ions lourds .
L' irradiation électronique permet de créer des centres radicalaires dans tout le volume de la membrane de base. Il est donc possible avec ce type d' irradiation de greffer de manière radicalaire des greffons assurant la conduction protonique par gradient de protons dans tout le volume de la membrane. Toutefois, lorsque la membrane de base présente une épaisseur importante, il peut être difficile de greffer au cœur de celle-ci des greffons, car la diffusion des composés entrant dans la constitution des greffons (tels que des monomères) peut s'avérer difficile. Il importe, dans ce cas, de choisir, de façon appropriée, un solvant adapté, de sorte à atteindre la membrane dans tout son volume et y compris le cœur de celle-ci.
L'irradiation par ions lourds n'altère la membrane de base que dans les traces d' irradiation, à partir desquelles le greffage des greffons pourra être effectué.
Notons que, indépendamment, du mode d'irradiation, les composés susceptibles d'entrer dans la constitution des greffons (tels que des monomères) ne sont susceptible de se greffer qu'aux endroits où l'irradiation a créé des centres radicalaires dans la membrane (à savoir dans les traces d'irradiation pour l'irradiation par ions lourds, dans le volume de la membrane pour l'irradiation électronique).
Le gradient de protons est créé par un choix approprié de molécules à greffer sur la membrane de base (par exemple des acides aminés ou des molécules similaires) . On peut donc considérer que le greffage de telles molécules correspond à une structuration de la membrane de base par garnissage moléculaire, les molécules étant positionnées sur la membrane de telle sorte que puisse apparaître un gradient de protons dû à la concentration locale desdites molécules dans la membrane .
Le gradient de protons peut être réalisé dans toute la masse de la membrane, auquel cas il résultera du greffage de molécules appropriées suite à l'irradiation électronique d'une membrane de base.
A titre d'exemple, pour une obtenir un phénomène de gradient de protons par irradiation électronique, on peut envisager de procéder par radiogreffâge d'une membrane de base par les molécules suivantes : une première molécule présentant une constante d'acidité pKai, qui diffuse et se greffe dans tout le volume de la membrane de base ; une deuxième molécule présentant une constante d'acidité pKa2, qui se greffe sur une des faces de la membrane de base, cette face étant l'unique face à être exposée à cette deuxième molécule ; une troisième molécule présentant une constante d'acidité pKa3, qui se greffe sur une face opposée à la face sur laquelle se greffe la deuxième molécule, cette face opposée étant la seule à être exposée à cette troisième molécule. Les pKa (pKai, pKa2 et pKa3) sont choisis de sorte à permettre un échange de protons d'une face vers l'autre et de créer, ainsi, un gradient de protons.
Le gradient de protons peut être réalisé également en greffant les molécules appropriées dans les traces latentes laissées par le passage d'un faisceau d'ions lourds.
Ainsi, on peut imaginer le greffage de molécules dans les traces latentes selon le schéma suivant :
les molécules symbolisées 1, 2, 3 et n présentant respectivement des constantes d'acidité pKai, pKa2, pKa3 et pKan sachant que pKai > pKa2 > pKa3 > pKan.
On peut imaginer également le greffage de molécules dans les traces latentes selon le schéma suivant :
les molécules symbolisées 1, 2, 3 et n présentant respectivement des constantes d'acidité pKai, pKa2, pKa3 et pKan sachant que pKai > pKa2 > pKa3 > pKan. Enfin, on peut imaginer également le greffage de molécules dans les traces latentes selon le schéma suivant :
les molécules symbolisées 1, 2, 3 et n présentant respectivement des constantes d'acidité pKai, pKa2, pKa3 et pKan sachant que pKai > pKa2 > pKa3 > pKan.
Dans le cas où les membranes de l'invention sont constituées exclusivement des (co) polymères greffés susmentionnés, le procédé de préparation desdites membranes correspondra classiquement aux procédés de préparation desdits copolymères tels qu'explicités selon la première variante, la seconde variante ou la troisième variante de réalisation.
L' intérêt de réaliser les membranes par radiogreffâge permet un greffage sélectif, notamment la possibilité d'utiliser des masques pour cibler ce greffage. Alternativement, le procédé de préparation de telles membranes pourra comprendre les étapes suivantes : une étape de réalisation desdits (co) polymères greffés, en particulier selon la première variante ou la seconde variante dans les pores traversants d'une matrice support polymérique ;
- une étape d'élimination de ladite matrice support polymérique. La matrice support peut être éliminée classiquement par destruction avec un réactif sélectif qui n'affecte pas les (co) polymères greffés constitutifs des membranes de l'invention.
Dans le cas où les membranes de l'invention comprennent une matrice support polymérique comprenant des pores traversants comblés par les (co) polymères greffés susmentionnés, le procédé de préparation desdites membranes comprend une étape de mise en œuvre dudit procédé de réalisation des (co) polymères greffés susmentionné dans les pores traversants de la matrice support .
La matrice support peut être préalablement préparée par irradiation d'une membrane de base de façon à créer une porosité organisée, laquelle porosité déterminant les caractéristiques morphologiques de la future membrane de l'invention, dans la mesure où la préparation de cette dernière sera effectuée au sein de la porosité de la matrice support. L'étape d'irradiation peut être suivie d'une étape de gravure chimique de façon à finaliser la structuration de la matrice support.
L'étape d'irradiation peut être réalisée par bombardement d'ions, tel qu'un bombardement par du xénon .
La matrice support peut être en un matériau choisi parmi le polycarbonate (PC) , le polyfluorure de vinylidène (PVDF), le polytéréphtalate d' éthylène (PET) . Dans le cas où les copolymères greffés sont réalisés selon la première variante (c'est-à-dire par fonctionnalisation d'un polymère de base), les pores traversants de la matrice support seront revêtus, dans un premier temps, par un (co) polymère de base comprenant des fonctions pendantes X telles que définies ci-dessus, puis dans un deuxième temps, la matrice sera mise en contact avec un précurseur de greffon comprenant une fonction A telle que définie ci- dessus.
Dans le cas où les copolymères greffés sont réalisés selon la seconde variante, la matrice support est mise en contact avec une solution contenant les monomères adéquats et la polymérisation est conduite jusqu'à obstruction des pores traversants de ladite matrice support, généralement jusqu'à ce que la perméabilité aux gaz soit faible, de préférence proche de celle d'une membrane qui ne comporterait pas de pores ou une porosité de pas plus de 10% ou typiquement égale à 5%. De plus amples détails concernant la polymérisation dans les pores d'une matrice peuvent être trouvés dans la demande FR 2 770 150.
Comme mentionné ci-dessus, les membranes de l'invention présentent, entre autres, une conduction protonique améliorée par rapport à des membranes classiquement utilisées, telles que les membranes en NAFION®. C'est donc tout naturellement que ces membranes peuvent être incorporées dans des dispositifs de pile à combustible. Ainsi, l'invention a également pour objet un dispositif de pile à combustible comprenant au moins une membrane telle que définie ci-dessus.
Ce dispositif comprend un ou plusieurs assemblages électrode-membrane-électrode.
Pour préparer un tel assemblage, la membrane peut être placée entre deux électrodes, par exemple, en tissu de carbone imprégné d'un catalyseur.
L'ensemble est ensuite pressé à une température adéquate afin d'obtenir une bonne adhésion électrode-membrane .
L' assemblage électrode-membrane-électrode obtenu est ensuite placé entre deux plaques, assurant la conduction électrique et l'alimentation en réactifs aux électrodes. Ces plaques sont communément désignées sous le terme de plaques bipolaires.
L' invention va maintenant être décrite en référence aux exemples suivants, donnés à titre illustratif et non limitatif.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les exemples ci-dessous vont illustrer la préparation de membranes comprenant un squelette de base constitué de motifs répétitifs polypyrrole et des greffons du type reste d'acide aminé (exemples 1, 2, 3, 4 et 5) ou du type séquence peptidique (exemples 6 et 7) .
Dans ces exemples, il est employé les acronymes suivants :
Ac : acétyl ; AcOH : acide acétique ; Arg : Arginine ; Asp : Acide aspartique ; Boc : t- butyloxycarbonyl ; DCM : dichlorométhane ; Dde : 1- (4, 4-diméthyl-2, 6-dioxocyclohex-l-ylidène) éthyl ; DIEA : diisopropyléthylamine ; DMF : diméthylformamide ; EDC : chlorure de l-éthyl-3- (3- diméthylaminopropyl) carbodiimide ; Fmoc : 9- fluorophénylméthyloxycarbonyl ; His : histidine ; HBTU : N- [ (lH-benzotriazol-1- yl) diméthylamino) méthylène] -N-méthylméthanaminium hexafluorophosphate ; HOBt : N-hydroxybenzotriazole ; Lys : Lysine ; MeOH : méthanol ; NHS : N- hydroxysuccinimide ; ONS : O-N-succinimide ; OtBu : 0- t-butyle ; Pbf : N-ω-diméthyl-N-ωÂ' -2, 2, 4, 6, 7- pentadiméthyldihydrobenzofuran-5-sulfonyl ; PC : polycarbonate ; Pmc : 2, 2, 5, 7, 8-pentaméthylchroman-6- sulfonyl ; TFA : acide trifluoroacétique ; TIS : triisopropylsilane ; Trt : trityl.
EXEMPLE 1
Cet exemple illustre la préparation d'une membrane, laquelle est constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons dérivés de la lysine de formule suivante :
Le copolymère préparé comprend ainsi la séquence de motifs suivante :
n indiquant le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets et m le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets. Il est entendu que les motifs entre crochets peuvent être disposés, de façon aléatoire, dans la chaîne.
Pour préparer ce copolymère, le schéma réactionnel est le suivant :
R représentant le greffon dérivé de la lysine, dont la formule figure ci-dessus, les réactifs de l'étape 1 étant le N-hydroxysuccinimide (NHS) en présence d' hydrochlorure de l-éthyl-3- (3- diméthylaminopropyl) carbodiimide (EDC) et d'eau, tandis que les réactifs de l'étape 2 sont l'acide aminé lysine protégé sur certaines fonctions en présence de diisopropyléthylamine (DIEA) et d'eau pour le greffage dudit acide aminé et l'acide trifluoracétique (TFA) en présence d'eau et de triisopropylsilane (TIS) pour la déprotection des fonctions protégées de l'acide aminé.
En l'occurrence, l'acide aminé lysine protégé correspond à la formule suivante : H-Lys (Boc) - OH soit la formule développée suivante :
Deux modes de réalisation de la membrane sont illustrés ci-dessous, selon qu'il est utilisé au départ une matrice support ou non.
a) Fabrication de la membrane de l'invention avec utilisation d'une matrice support
Le copolymère polypyrrole fonctionnalisé est réalisé dans une cellule à deux compartiments sur une matrice support en polycarbonate . Le copolymère polypyrrole carboxylé de base (comprenant des motifs pyrrole et pyrrole 3-carboxyle) est déposé sur la matrice support en polycarbonate. De l'EDC (0,08 M) et du NHS (0,16 M) sont dissous dans un milieu aqueux. Les deux compartiments de la cellule sont remplis avec 10 mL de la solution et le mélange est refroidi à 4°C. Après agitation pendant 1 heure à cette température, le mélange réactionnel est agité à température ambiante pendant 3 heures. La membrane activée est lavée deux fois avec de l'eau distillée. L'acide aminé lysine protégé (461,24 mg ; 1,69 mmol) et du DIEA(588 μL, 3,38 mmol) sont dissous dans un milieu aqueux et ajoutés dans les deux compartiments. La solution résultante est agitée à température ambiante pendant 12 heures. La membrane est lavée à l'eau, séchée et une solution de TFA/H2O/TIS (9,5 :0,25 :0,25) est ajoutée dans les compartiments. Après 3 heures à température ambiante, la solution TFA est éliminée et de la soude (2N) est ajoutée.
Après 2 heures à 800C, la membrane finale débarrassée de la matrice en PC est lavée encore avec de l'eau fraîche et séchée soigneusement à température ambiante.
b) Fabrication de la membrane sans utilisation de matrice support
Selon ce mode de réalisation, une membrane comprenant des motifs pyrrole et pyrrole 3-carboxylé est mise à réagir avec de l'EDC (0,08 M) et du NHS (0,16
M) .
Après agitation d'une heure à 4°C, le mélange est agité à température ambiante pendant 3 heures. La membrane est lavée deux fois avec de l'eau.
L'acide aminé lysine protégé (416,24 mg, 1,69 mmol) et du DIEA (588 μL, 3,38 mmol) sont dissous dans un milieu aqueux et ajoutés dans les deux compartiments. La solution résultante est agitée à température ambiante pendant 12 heures. La membrane est lavée à l'eau, séchée et une solution de TFA/H2O/TIS (9,5 :0,25 :0,25) est ajoutée dans les compartiments. Après 3 heures à température ambiante, la membrane obtenue est lavée encore avec de l'eau fraîche et séchée soigneusement à température ambiante.
EXEMPLE 2
Cet exemple illustre la préparation d'une membrane, laquelle est constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons dérivés de l'arginine de formule suivante :
Le copolymère préparé comprend ainsi la séquence de motifs suivante :
n indiquant le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets et m le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets.
Pour préparer ce copolymère, le schéma réactionnel est le suivant :
R représentant le greffon dérivé de l'arginine, dont la formule figure ci-dessus, les réactifs de l'étape 1 étant le N-hydroxysuccinimide (NHS) en présence d' hydrochlorure de l-éthyl-3- (3- diméthylaminopropyl) carbodiimide (EDC) et d'eau, tandis que les réactifs de l'étape 2 sont l'acide aminé arginine protégé sur certaines fonctions en présence de diisopropyléthylamine (DIEA) et d'eau pour le greffage dudit acide aminé et l'acide trifluoracétique (TFA) en présence d'eau et de triisopropylsilane (TIS) pour la déprotection des fonctions protégées de l'acide aminé.
En l'occurrence, l'acide aminé arginine protégé correspond à la formule suivante : H-Arg(Pmc)- OH soit la formule développée suivante :
Deux modes de réalisation de la membrane ont été mis œuvre dans le cadre de cet exemple :
- un mode de réalisation avec une matrice support, ce mode de réalisation étant identique à celui exposé dans le cadre de l'exemple 1, si ce n'est l'introduction de l'acide aminé arginine protégé en lieu et place de la lysine protégé (à raison de 744,61 mg, 1,69 mmo1 ) ; un mode de réalisation sans matrice support, ce mode de réalisation étant identique à celui exposé dans le cadre de l'exemple 1, si ce n'est l'introduction de l'acide aminé arginine protégé en lieu et place de la lysine protégé (à raison de 744,61 mg, 1,69 mmo1 ) .
EXEMPLE 3
Cet exemple illustre la préparation d'une membrane, laquelle est constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons dérivés de l'histidine de formule suivante :
Le copolymère préparé comprend ainsi la séquence de motifs suivante :
n indiquant le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets et m le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets. Il est entendu que les motifs entre crochets peuvent être disposés, de façon aléatoire, dans la chaîne. Pour préparer ce copolymère, le schéma réactionnel est le suivant :
R représentant le greffon dérivé de l'histidine, dont la formule figure ci-dessus, les réactifs de l'étape 1 étant le N-hydroxysuccinimide (NHS) en présence d' hydrochlorure de l-éthyl-3- (3- diméthylaminopropyl) carbodiimide (EDC) et d'eau, tandis que les réactifs de l'étape 2 sont l'acide aminé histidine protégé sur certaines fonctions en présence de diisopropyléthylamine (DIEA) et d'eau pour le greffage dudit acide aminé et l'acide trifluoracétique (TFA) en présence d'eau et de triisopropylsilane (TIS) pour la déprotection des fonctions protégées de l'acide aminé .
En l'occurrence, l'acide aminé histidine protégé correspond à la formule suivante : H-His (Trt) - OH soit la formule développée suivante :
Deux modes de réalisation de la membrane ont été mis œuvre dans le cadre de cet exemple : - un mode de réalisation avec une matrice support, ce mode de réalisation étant identique à celui exposé dans le cadre de l'exemple 1, si ce n'est l'introduction de l'acide aminé histidine protégé en lieu et place de la lysine protégé (à raison de 671,77 mg, 1,69 mmo1 ) ; un mode de réalisation sans matrice support, ce mode de réalisation étant identique à celui exposé dans le cadre de l'exemple 1, si ce n'est l'introduction de l'acide aminé histidine protégé en lieu et place de la lysine protégé (à raison de 671,77 mg, 1,69 mmo1 ) .
EXEMPLE 4
Cet exemple illustre la préparation d'une membrane, laquelle est constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons dérivés de la lysine, de l'arginine et de l'histidine (en proportions 1 :1 :1) de formules suivantes :
Le copolymère préparé comprend ainsi la séquence de motifs suivante :
n indiquant le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets et m le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets, R représentant indifféremment un greffon dérivé de la lysine, un greffon dérivé de l'arginine et un greffon dérivé de l'histidine, les trois types de greffons étant présents dans le copolymère dans des proportions 1:1:1.
Pour préparer ce copolymère, le schéma réactionnel est le suivant :
R étant tel que défini ci-dessus, les réactifs de l'étape 1 étant le N-hydroxysuccinimide (NHS) en présence d' hydrochlorure de l-éthyl-3- (3- diméthylaminopropyl) carbodiimide (EDC) et d'eau, tandis que les réactifs de l'étape 2 sont l'acide aminé lysine, l'acide aminé histidine et l'acide aminé arginine protégés sur certaines fonctions en présence de diisopropyléthylamine (DIEA) et d'eau pour le greffage desdits acides aminés et l'acide trifluoracétique (TFA) en présence d'eau et de triisopropylsilane (TIS) pour la déprotection des fonctions protégées des acides aminés. En l'occurrence, l'acide aminé arginine protégé correspond à la formule suivante : H-Arg(Pmc)- OH soit la formule développée suivante :
L'acide aminé lysine protégé correspond à la formule suivante : H-Lys (Boc) -OH soit la formule développée suivante :
L'acide aminé histidine protégé correspond à la formule suivante : H-His(Trt)OH soit la formule développée suivante:
Deux modes de réalisation de la membrane ont été mis œuvre dans le cadre de cet exemple :
- un mode de réalisation avec une matrice support, ce mode de réalisation étant identique à celui exposé dans le cadre de l'exemple 1, si ce n'est l'introduction des acides aminés protégés lysine, arginine et histidine en lieu et place de l'acide aminé lysine protégé uniquement, et ce dans les proportions respectives suivantes (138,66 mg, 5,63.10-4 mol ; 248,05 mg, 5,63.10-4 mol ; 223,79 mg , 5,63.10-4 mol) ; un mode de réalisation sans matrice support, ce mode de réalisation étant identique à celui exposé dans le cadre de l'exemple 1, si ce n'est l'introduction des acides aminés protégés lysine, arginine et histidine en lieu et place de l'acide aminé lysine protégé uniquement, et ce dans les proportions respectives suivantes (138,66 mg, 5,63.10-4 mol ; 248,05 mg, 5,63.10-4 mol ; 223,79 mg , 5,63.10-4 mol).
EXEMPLE 5
Cet exemple illustre la préparation d'une membrane, laquelle est constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette pyrrole et des greffons dérivés de la lysine, de l' arginine, de l'histidine et de la taurine (en proportions 1 :1 :1 :1) de formules suivantes :
Le copolymère préparé comprend ainsi la séquence de motifs suivante :
n indiquant le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets et m le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets, R représentant indifféremment un greffon dérivé de la lysine, un greffon dérivé de l'arginine, un greffon dérivé de l'histidine et un greffon dérivé de la taurine.
Pour préparer ce copolymère, le schéma réactionnel est le suivant :
R étant tel que défini ci-dessus, les réactifs de l'étape 1 étant le N-hydroxysuccinimide (NHS) en présence d' hydrochlorure de l-éthyl-3- (3- diméthylaminopropyl) carbodiimide (EDC) et d'eau, tandis que les réactifs de l'étape 2 sont l'acide aminé lysine, l'acide aminé histidine, l'acide aminé arginine protégés sur certaines fonctions et l'acide aminé taurine en présence de diisopropyléthylamine (DIEA) et d'eau pour le greffage desdits acides aminés et l'acide trifluoracétique (TFA) en présence d'eau et de triisopropylsilane (TIS) pour la déprotection des fonctions protégées des acides aminés. En l'occurrence, l'acide aminé arginine protégé correspond à la formule suivante : H-Arg(Pmc)- OH soit la formule développée suivante :
L'acide aminé lysine protégé correspond à la formule suivante : H-Lys (Boc) -OH soit la formule développée suivante :
L'acide aminé histidine protégé correspond à la formule suivante : H-His (Trt) -OH soit la formule développée suivante :
Deux modes de réalisation de la membrane ont été mis œuvre dans le cadre de cet exemple : - un mode de réalisation avec une matrice support, ce mode de réalisation étant identique à celui exposé dans le cadre de l'exemple 1, si ce n'est l'introduction des acides aminés protégés lysine, arginine, histidine et l'acide aminé taurine en lieu et place de l'acide aminé lysine protégé uniquement, et ce dans les proportions respectives suivantes (104 mg, 4,225.10"4 mol ; 186,15 mg, 4,225.10"4 mol ; 167,9 mg , 4,225.10"4 mol ; 52,8 mg, 4,225.10"4 mol) ; - un mode de réalisation sans matrice support, ce mode de réalisation étant identique à celui exposé dans le cadre de l'exemple 1, si ce n'est l'introduction des acides aminés protégés lysine, arginine, histidine et l'acide aminé taurine en lieu et place de l'acide aminé lysine protégé uniquement, et ce dans les proportions respectives suivantes (104 mg, 4,225.10"4 mol ; 186,15 mg, 4,225.10"4 mol ; 167,9 mg , 4,225.10"4 mol ; 52,8 mg, 4,225.10"4 mol).
EXEMPLE 6
Cet exemple illustre la préparation d'une membrane, laquelle est constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule suivante :
ce groupe étant représenté, ci-après, par le préfixe -R Le copolymère préparé comprend ainsi la séquence de motifs suivante :
n indiquant le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets et m le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets.
Pour préparer ce copolymère, le schéma réactionnel est le suivant :
les réactifs de l'étape 1 étant le N-hydroxysuccinimide (NHS) en présence d' hydrochlorure de l-éthyl-3- (3- diméthylaminopropyl) carbodiimide (EDC) et d'eau, tandis que les réactifs de l'étape 2 sont la séquence peptidique appropriée protégée sur certaines fonctions en présence de diisopropyléthylamine (DIEA) et d'eau pour le greffage dudit acide aminé et l'acide trifluoracétique (TFA) en présence d'eau et de triisopropylsilane (TIS) pour la déprotection des fonctions protégées de la séquence peptidique.
En l'occurrence, la séquence peptidique protégée correspond à la formule suivante : H- Asp (OtBu) -His (Trt) -Lys (Boc) -OH soit la formule développée suivante :
Préalablement à la mise en œuvre des étapes référencées 1 et 2 ci-dessus, il est procédé à la préparation de la séquence peptidique protégée illustrée par la formule ci-dessus.
Le protocole de préparation de la séquence peptidique protégée figure ci-dessous.
Les acides aminés nécessaires à la préparation de cette séquence peptidique sont les suivants : - la résine de H-Lys (Boc) -2-chlorotrityl de formule suivante :
- le Fmoc-His (Trt) de formule suivante
- le Fmoc-Asp (OtBu) de formule suivante
0,5 g de résine de H-Lys (Boc) -2-chlorotrityl (0,25 mmol) est couplé avec les acides aminés suivants (Fmoc- His (Trt) , Fmoc-Asp (OtBu) ) lesdits aminés étant présent en excès (10 parties) et dont les fonctions -COOH sont sous forme d'ester de N-hydroxybenzotriazole en présence de HBTU et de DIEA. La résine peptidique obtenue est placée dans un corps de seringue comprenant un filtre fritte. Une solution de 1% de TFA dans du dichlorométhane sec est ajoutée. On laisse l'ensemble agir deux minutes et on filtre la solution résultante. L'étape de réaction de TFA suivie de la filtration est répétée 10 fois. La séquence peptidique résiduelle protégée est lavée pour la séparer de la résine successivement avec 3*30 mL de dichlorométhane, 3*30 mL de méthanol, 2*30 mL de dichlorométhane et 3*30 mL de méthanol. Tous les filtrats sont combinés et évaporés sous pression réduite jusqu'à 5% du volume. 40 mL d'eau froide est ajoutée et un précipité blanc apparaît. Le produit est isolé par filtration et lavée trois fois à l'eau froide.
Le copolymère polypyrrole fonctionnalisé est réalisé dans une cellule à deux compartiments sur une matrice support en polycarbonate . Le copolymère polypyrrole carboxylé de base est déposé sur la matrice support en polycarbonate.
De l'EDC (0,08 M) et du NHS (0,16 M) sont dissous dans un milieu aqueux. Les deux compartiments de la cellule sont remplis avec 10 mL de la solution et le mélange est refroidi à 4°C. Après agitation pendant 1 heure à cette température, le mélange réactionnel est agité à température ambiante pendant 3 heures. La membrane activée est lavée deux fois avec de l'eau distillée. La séquence peptidique préparée préalablement (15,9 mg ; 0,02 mmol) et du DIEA (173,9 μL, 1 mmol) sont dissous dans un milieu aqueux et ajoutés dans les deux compartiments. La solution résultante est agitée à température ambiante pendant 12 heures. La membrane est lavée à l'eau, séchée et une solution de TFA/H2O/TIS (9,5 :0,25 :0,25) est ajoutée dans les compartiments. Après 3 heures à température ambiante, la solution TFA est éliminée et de la soude
(2N) est ajoutée. Après 2 heures à 800C, la membrane finale débarrassée de la matrice en polycarbonate est lavée encore avec de l'eau fraîche et séchée soigneusement à température ambiante.
EXEMPLE 7 Cet exemple illustre la préparation d'une membrane, laquelle est constituée d'un squelette polypyrrole et des greffons de formule suivante :
ce groupe étant représenté ci-après par le préfixe -R.
Le copolymère préparé dans cet exemple comprend ainsi la séquence de motifs suivante :
n et m indiquant le nombre d'unités répétitives du motif entre crochets. Pour préparer ce copolymère, le schéma réactionnel est le suivant :
les réactifs de l'étape 1 étant le N-hydroxysuccinimide (NHS) en présence d' hydrochlorure de l-éthyl-3- (3- diméthylaminopropyl) carbodiimide (EDC) et d'eau, tandis que les réactifs de l'étape 2 sont la séquence peptidique appropriée protégée sur certaines fonctions en présence de diisopropyléthylamine (DIEA) et d'eau pour le greffage dudit acide aminé et l'acide trifluoracétique (TFA) en présence d'eau et de triisopropylsilane (TIS) pour la déprotection des fonctions protégées de la séquence peptidique.
En l'occurrence, la séquence peptidique protégée correspond à la formule suivante :
Ac-Arg (Pbf) -His (Trt) -Asp (OtBu) -Lys- Asp (OtBu) -His (Trt) -Lys (Boc) -OH la formule développée de cette séquence peptidique protégée étant la suivante:
Préalablement à la mise en oeuvre des étapes référencées 1 et 2 ci-dessus, il est procédé à la préparation de la séquence peptidique protégée illustrée par la formule ci-dessus.
Le protocole de préparation de la séquence peptidique figure ci-dessous.
Les acides aminés nécessaires à la préparation de cette séquence peptidique sont les suivants :
- la résine de H-Lys (Boc) -2-chlorotrityl de formule suivante :
- le Fmoc-His (Trt) de formule suivante
- le Fmoc-Asp (OtBu) de formule suivante
O NH COOH
- le Fmoc-Lys (Dde) de formule suivante
- le Fmoc-Arg (Pbf) de formule suivante
0,5 g de résine de H-Lys (Boc) -2-chlorotrityl (0,25 mmol) est couplé avec les acides aminés suivants (Fmoc- His(Trt), Fmoc-Asp (OtBu) , Fmoc-Lys (Dde) , Fmoc- Asp (OtBu), Fmoc-His (Trt) , Fmoc-Arg (Pbf) ) lesdits aminés étant présent en excès (10 parties) et dont les fonctions -COOH sont forme d'ester de N- hydroxybenzotriazole en présence de N- [ (IH- (benzotriazol-1-yl) -diméthylamino) méthylène] -N- méthylméthanaminium hexafluorophosphate (HBTU) et de diisopropyléthylamine (DIEA) . La résine peptidique résultante est placée dans un corps de seringue comprenant un filtre fritte. En parallèle, AcOH (14,2 μL, 0,25 mmol),
HOBt (33,7 mg, 0,25 mol) et PyBOP (130 mg, 0,25 mmol) sont dissous dans le DMF (5 mL) . Un excès de DIEA (100 μL, 0,57 mmol) est ajouté et le mélange réactionnel est agité à température ambiante pendant 4 heures. La solution résultante est ajoutée à la résine peptidique préparée ci-dessus et agitée pendant 12 heures à température ambiante. La résine est lavée avec 3*30 mL de dichlorométhane, 3*30 mL de méthanol et 2*30 mL de dichlorométhane . Un test de Kaiser est réalisé indiquant qu'aucune aminé primaire n'est détectée.
La résine résultante est remise en suspension dans une solution de monohydrate d'hydrazine à 2% dans le dichlorométhane (20 mL/g de résine) . On laisse à réagir pendant 3 minutes en agitant soigneusement par voie manuelle et le traitement à l'hydrazine est répété deux fois pour assurer une réaction complète. La résine est lavée successivement avec 2*20 mL de diméthylformamide, 2*20 mL de dichlorométhane, 20 mL de méthanol, 20 mL de dichlorométhane et séchée.
Une solution de 1% d'acide trifluoroacétique dans le dichlorométhane sec est ajoutée. On laisse l'ensemble réagir 2 minutes et la solution résultante est filtrée. Cette étape est répétée 10 fois. La séquence peptidique protégée résiduelle est séparée de la résine par lavage avec 3*30 mL de dichlorométhane, 3*30 mL de méthanol, 2*30 mL de dichlorométhane, 3*30 mL de méthanol. Tous les filtrats sont combinés et évaporés sous pression réduite jusqu'à 5% de son volume. 40 mL d'eau froide est ajoutée et un précipité blanc apparaît. Le produit est isolé par filtration et lavée trois fois avec de l'eau froide.
Le copolymère polypyrrole fonctionnalisé est réalisé dans une cellule à deux compartiments sur une matrice support en polycarbonate . Le copolymère polypyrrole carboxylé de base est déposé sur la matrice support en polycarbonate. De l' hydrochlorure de l-éthyl-3- (3- diméthylaminopropyl) carbodiimide (EDC) (0,08 M) et du N-hydroxysuccinimide (NHS) (0,16 M) sont dissous dans un milieu aqueux. Les deux compartiments de la cellule sont remplis avec 10 mL de la solution et le mélange est refroidi à 4°C. Après agitation pendant 1 heure à cette température, le mélange réactionnel est agité à température ambiante pendant 3 heures. La membrane activée est lavée deux fois avec de l'eau distillée. La séquence peptidique préparée préalablement (15,9 mg ; 0,02 mmol) et du diisopropyléthylamine (173,9 μL ; 1 mmol) sont dissous dans un milieu aqueux et ajoutés dans les deux compartiments. La solution résultante est agitée à température ambiante pendant 12 heures. La membrane est lavée à l'eau, séchée et une solution de TFA/H2O/TIS (9,5 :0,25 :0,25) est ajoutée dans les compartiments. Après 3 heures à température ambiante, la solution TFA est éliminée et de la soude (2N) est aj outée . Après 2 heures à 8O0C, la membrane finale débarrassée de la matrice en polycarbonate est lavée encore avec de l'eau fraîche et séchée soigneusement à température ambiante.

Claims

REVENDICATIONS
1. Membrane conductrice de protons pour pile à combustible comprenant un (co) polymère greffé comprenant une chaîne principale et des greffons liés de façon covalente à ladite chaîne principale, lesdits greffons comprenant au moins un groupe attracteur de protons et au moins un groupe donneur de protons.
2. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle le groupe attracteur de protons comporte un atome porteur d'un doublet libre et/ou est chargé négativement.
3. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 2, dans laquelle le groupe attracteur de protons comportant un atome porteur d'un doublet libre est un groupe aminé.
4. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 3, dans laquelle le groupe aminé est un groupe aminé primaire -NH2 ou un groupe aminé secondaire -NH-.
5. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 4, dans laquelle le groupe aminé secondaire -NH- est inclus dans une chaîne hydrocarbonée linéaire ou est compris dans un groupe imidazole ou un groupe guanidine.
6. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 2, dans laquelle le groupe attracteur de protons chargée négativement est un sel d'acide carboxylique -CO2H, d'acide sulfonique - SO3H ou d'acide phosphonique -PO3H2, une fonction -0~, - S".
7. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle le groupe donneur de protons est groupe acide -CO2H, -SO3H, -PO3H2, un sel de groupe aminé, un groupe -OH ou -SH.
8. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les greffons correspondent à des groupes hydrocarbonés, saturés ou insaturés, cycliques ou acycliques, pouvant comporter un ou plusieurs hétéroatomes tels que O, N et S et éventuellement substitués.
9. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 8, dans laquelle les groupes hydrocarbonés sont des groupes aliphatiques, tels que des groupes alkyles, comportant de 1 à 22 atomes de carbone, de préférence de 6 à 16 atomes de carbone .
10. Membrane échangeuse de protons de pile selon la revendication 8, dans laquelle les groupes hydrocarbonés sont des groupes aromatiques comprenant un ou plusieurs cycles aromatiques comprenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes tels que O, N et S.
11. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle les greffons correspondent à des restes d'acides aminés.
12. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 11, dans laquelle les restes d'acides aminés sont issus d'acides α-aminés naturels choisis parmi l'arginine, l' asparagine, l'acide aspartique, l'acide glutamique, la glutamine, l'histidine, la lysine.
13. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 11, dans laquelle les restes d'acides aminés sont des restes de lysine, d' arginine et d'histidine de formules (I) à (III) suivantes :
14. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 11, dans laquelle les restes d'acides aminés sont issus d'acides aminés choisis parmi :
15. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant, en outre, des greffons ne répondant pas à la définition donnée aux revendications précédentes .
16. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 15, dans laquelle les greffons tels que définis à la revendication 15 sont des restes d'acide aminé issus d'acides aminés choisis parmi la cystéine, la proline, la serine, la thréonine, la tyrosine, des restes d'acides aminés non naturels choisis parmi les aminés aminés de formules suivantes :
ou encore des restes de composés de formules suivantes :
17. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 15 ou 16, dans laquelle les greffons correspondent au reste d'acide aminé de formule (IV) suivante :
18. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle les greffons correspondent à des séquences peptidiques.
19. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 18, dans laquelle les séquences peptidiques consistent en un enchaînement d'acides aminés tels que définis aux revendications 12 et 14.
20. Membrane échangeuse de protons de pile à combustible selon la revendication 18 ou 19, dans laquelle les greffons répondent à l'une des formules suivantes :
21. Membrane échangeuse de protons selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la chaîne principale correspond à une chaîne hydrocarbonée, aliphatique ou aromatique, comprenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes, tels que O, N, S, un atome d'halogène.
22. Membrane échangeuse de protons selon la revendication 21, dans laquelle la chaîne principale comprend un motif répétitif hétérocyclique, sur lequel, en tout ou partie, sont liés de façon covalente des greffons tels que définis selon l'une quelconque des revendications précédentes.
23. Membrane échangeuse de protons selon la revendication 22, dans laquelle la chaîne principale est une chaîne polypyrrole.
24. Membrane échangeuse de protons selon la revendication 23, choisie parmi les membranes suivantes :
- une membrane constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (I) telle que définie à la revendication 13 ;
- une membrane constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (II) tels que définis à la revendication 13 ; - une membrane constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (III) tels que définis à la revendication 13 ; - une membrane constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formules (I), (II) et (III) tels que définis à la revendication 13;
- une membrane constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (I), (II), (III) et (IV) tels que définis aux revendications 13 et 17 ;
- une membrane constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (V) tels que définis à la revendication 20 ;
une membrane constituée d'un copolymère greffé comprenant un squelette polypyrrole et des greffons de formule (VI) tels que définis à la revendication 20.
25. Membrane échangeuse de protons selon l'une quelconque des revendications précédentes, constituée exclusivement d'un (co) polymère greffé tel que défini à la revendication 1.
26. Membrane échangeuse de protons selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, comprenant une matrice support polymérique comprenant des pores traversants, lesquels pores sont comblés par un (co) polymère greffé tel que défini à la revendication 1.
27. Membrane échangeuse de protons selon la revendication 26, dans laquelle la matrice support polymérique est en un polymère choisi parmi les polyuréthanes, les polyoléfines, les polycarbonates, les polyéthylènetéréphtalates, ces polymères étant éventuellement fluorés.
28. Procédé de préparation d'une membrane échangeuse de protons selon la revendication 25, dans lequel le (co) polymère greffé est préparé par réaction d'un (co) polymère de base comprenant des fonctions pendantes X avec au moins un précurseur de greffon comprenant une fonction A apte à réagir avec une fonction pendante X pour former une liaison covalente, réaction à l'issue de laquelle les greffons se retrouvent liés au copolymère de base.
29. Procédé de préparation selon la revendication 28, dans lequel les fonctions pendantes X sont des fonctions carboxyles -CO2H et les fonctions A sont des fonctions aminés -NH2.
30. Procédé de préparation selon la revendication 28 ou 29, comprenant, lorsque les membranes sont constituées d'un copolymère comprenant un squelette polypyrrole et des greffons consistant en des restes d'acide aminé ou des séquences peptidiques, une étape de réaction d'un copolymère de base dont le squelette comprend au moins un motif répétitif de formule suivante :
X étant tel que défini à la revendication 28 ou 29, et éventuellement un motif répétitif de formule suivante :
avec au moins un acide aminé ou une séquence peptidique comprenant une fonction A telle que définie à la revendication 28 ou 29.
31. Procédé de préparation d'une membrane conductrice de protons telle que définie à la revendication 25, comprenant une étape de polymérisation d'au moins un monomère portant au moins une chaîne latérale correspondant aux greffons tels que définis à la revendication 1.
32. Procédé de préparation d'une membrane conductrice de protons telle que définie à la revendication 25, dans lequel les (co) polymères greffés sont préparés par radiogreffâge .
33. Procédé de préparation d'une membrane conductrice de protons telle que définie à la revendication 25, comprenant les étapes suivantes : une étape de réalisation desdits (co) polymères greffés dans les pores traversants d'une matrice support polymérique ;
- une étape d'élimination de ladite matrice support polymérique.
34. Procédé de préparation d'une membrane conductrice de protons telle que définie à la revendication 26, dans lequel les (co) polymères greffés sont réalisés dans les pores traversants d'une matrice support polymérique.
35. Dispositif de pile à combustible comprenant au moins une membrane telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 27.
EP08804638A 2007-09-26 2008-09-24 Membranes conductrices de protons pour pile a combustible presentant un gradient de protons et procedes de preparation desdites membranes Withdrawn EP2210305A1 (fr)

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