Direct spun aligned carbon nanotube web-reinforced proton exchange membranes for fuel cells

A new method combining electrospinning of SPEEK and direct spinning of CNT forests has been used to prepare sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK)/directly spinnable carbon nanotube (dsCNT) composite proton exchange membranes. The SPEEK/dsCNT membrane is more robust than SPEEK alone, and in a fuel cell significantly outperforms both SPEEK and the commercial Nafion 212 membranes.

Synthesis and Characterization of Nanostructured Electro-active Materials

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Nanofibras de isolado proteico de bijupirá (rachycentron canadum): desenvolvimento, caracterização e avaliação toxicológica

As nanofibras produzidas através de biopolímeros oriundos de materiais biológicos têm tomado espaço no âmbito mundial, estes podem ter sua origem em compostos como a proteína animal, por exemplo, as proteínas de pescado. O presente trabalho teve como objetivo geral desenvolver nanofibras de isolado proteico de Bijupirá (Rachycentron canadum). O isolado proteico de bijupirá (IPB) foi obtido utilizando processo de variação de pH para solubilizar e isolar proteínas. O IPB obtido foi caracterizado quanto sua composição química proximal e suas propriedades físicoquímicas, estruturais e funcionais. O rendimento do IPB foi de 98,17% de proteína, em base seca. A maior solubilidade e a maior capacidade de retenção de água (CRA) do IPB foram obtidas em pH 11 e 21,9 mL.g-1 de proteína, respectivamente. Os perfis eletroforéticos revelaram massas moleculares características de proteínas miofibrilares (miosina e actina). Os principais picos identificados pelas análises de Espectroscopia na Região do Infravermelho (FTIR) são provenientes de ligações peptídicas (ligações amida), como Amida I e II. Os maiores pontos de fusão e de degradação do IPB foram de 259,1°C e 378°C, respectivamente, obtendo assim, um isolado proteico com elevada estabilidade térmica. As nanofibras foram desenvolvidas pela técnica de electrospinnig. Foram preparadas soluções poliméricas utilizando 1% (p/v) de óxido de polietileno (PEO) e 1, 2, 3, 4, 5 e 6% (p/v) de IPB. Os parâmetros utilizados no processo de electrospinning como: potencial elétrico, distância da ponta do coletor a agulha e a taxa de fluxo da solução foram fixados em 16,7 kV, 15 cm, e 150 µL.h-1 , respectivamente. Os efeitos do solvente e a adição de um biopolímero comercial na capacidade de formação e morfologia das nanofibras foram estudados. Em relação ao efeito do solvente na solubilização das proteínas, o processo de electrospinning foi favorecido quando utilizado o ácido fórmico 85% (v/v), como este solvente orgânico promove a formação de estruturas helicoidais aleatórias e, consequentemente, um aumento no emaranhado de biopolímeros. A adição do biopolímero PEO proporcionou melhor viscosidade às soluções de IPB e o desenvolvimento das nanofibras. A morfologia analisada por Microscopia eletrônica de Varredura (MEV) das nanofibras obtidas com 5 e 4% (p/v) de IPB e 1% (/v) de PEO foi de 205 ± 82 nm e 476 ± 107, respectivamente.

Purificação de C-ficocianina e sua incorporação em nanofibras

C-ficocianina (C-FC) é uma ficobiliproteína, de cor natural azul, com diversas aplicações na indústria alimentícia, farmacêutica e biomédica, dependendo do seu grau específico de pureza, que pode variar de 0,7 a 4,0, com respectivo aumento de seu valor comercial. Essa pureza é alcançada através de diversas técnicas de purificação, que podem ser aplicadas em diferentes sequências. Um destes processos de purificação de proteínas baseia-se na cromatografia de troca iônica, que utiliza trocadores que adsorvem as proteínas como resultado de interações iônicas entre a superfície da proteína e o trocador. Resinas e colunas de leito expandido podem ser utilizadas para aumentar a produtividade dessa técnica. É fundamental conhecer o perfil do processo de adsorção, para melhor aplicá-lo como ferramenta para o design e otimização de parâmetros operacionais. Outra tecnologia para o tratamento de biomoléculas é a ultrafiltração. Esta técnica é aplicável em larga escala, apresenta baixa complexidade de aplicação e pode ser realizada em condições brandas, minimizando o dano para o produto. Para aumentar a estabilidade da C-FC, e facilitar a sua aplicação, podem ser avaliadas técnicas recentes, não exploradas para este fim, como as nanofibras obtidas através do processo de electrospinning. Estas fibras possuem uma área superficial específica extremamente elevada devido a seu pequeno diâmetro. O objetivo deste trabalho foi avaliar parâmetros de adsorção e diferentes técnicas para purificação de C-ficocianina de Spirulina platensis e obter nanofibras poliméricas incorporadas de C-ficocianina. O trabalho foi dividido em quatro artigos. No primeiro artigo, foram avaliados os parâmetros e as isotermas de adsorção de C-ficocianina em resina de troca iônica para leito expandido Streamline® DEAE. Verificou-se que o maior coeficiente de partição foi obtido em pH 7,5, nas temperaturas de 15 e 25 °C. As isotermas de adsorção da Cficocianina foram bem representadas pelos modelos de Langmuir, de Freundlich e de Langmuir-Freundlich, sendo os valores estimados para Qm e Kd obtidos pela isoterma de Langmuir foram, respectivamente, 33,92 mg.mL-1 e 0,123 mg.mL-1, respectivamente. No segundo artigo foi avaliada a purificação de C-FC até grau alimentar, utilizando ultrafiltração (UF). Com a membrana de 50 kDa, identificou-se que somente a temperatura e a aplicação de diferentes ciclos de diafiltração (DF) causaram influência significativa sobre a purificação e recuperação da C-ficocianina. Foram então aplicados o aumento gradativo da quantidade de ciclos, e a diafiltração previamente à ultrafiltração (DF/UF), onde obteve-se um extrato de Cficocianina com pureza de 0,95. No terceiro artigo foram propostos processos de purificação, envolvendo a utilização das diferentes técnicas para obtenção de C-FC com diferentes purezas. Determinou-se que a partir de cromatografia de troca iônica em leito fixo seguido de DF/UF, obtém-se C-FC para uso em cosméticos e a partir de precipitação com sulfato de amônio, e DF/UF obtém-se C-FC para uso em biomarcadores. Com uma sequência de precipitação com sulfato de amônio, DF/UF e cromatografia de troca iônica em leito fixo chega-se a C-FC de grau analítico. No último artigo, C-FC foi incorporada a nanofibras de óxido de polietileno (PEO) através de processo de electrospinning. Foram determinadas a condutividade da solução de C-FC/PEO, a estrutura e comportamento termogravimétrico das nanofibras formadas. Soluções de polímeros com concentração de 6 e 8% proporcionaram a formação de nanofibras com diâmetro médio inferior a 800 nm, homogêneas, sem a presença de gotas. A análise termogravimétrica identificou aumento na resistência térmica da C-FC incorporada nas fibras.

Síntese, extração e caracterização de biopolímeros de origem microalgal para desenvolvimento de nanofibras

Pesquisas com microalgas estão crescendo devido aos possíveis bioprodutos oriundos de sua biomassa, bem como as suas diferentes aplicabilidades. Microalgas podem ser cultivadas para a produção de biopolímeros com características de biocompatibilidade e biodegradabilidade. Nanofibras produzidas por electrospinning a partir de poli-β-hidroxibutirato (PHB) geram produtos com aplicabilidade na área de alimentos e médica. O objetivo deste trabalho foi selecionar microalgas com maior potencial para síntese de biopolímeros, em diferentes meios de cultivo, bem como purificar poli-β-hidroxibutirato e desenvolver nanofibras. Este trabalho foi dividido em cinco artigos: (1) Seleção de microalgas produtoras de biopolímeros; (2) Produção de biopolímeros pela microalga Spirulina sp. LEB 18 em cultivo com diferentes fontes de carbono e redução de nitrogênio; (3) Síntese de biopolímeros pela microalga Spirulina sp. LEB 18 em cultivos autotróficos e mixotróficos; (4) Purificação de poli-β- hidroxibutirato extraído da microalga Spirulina sp. LEB 18; e (5) Produção de nanofibras a partir de poli-β-hidroxibutirato de origem microalgal. Foram estudadas as microalgas Cyanobium sp., Nostoc ellipsosporum, Spirulina sp. LEB 18 e Synechococcus nidulans. Os biopolímeros foram extraídos nos tempos de 5, 10, 15, 20 e 25 d de cultivo a partir de digestão diferencial. Para os experimentos com diferentes nutrientes, foi utilizado como fonte de carbono, bicarbonato de sódio, acetato de sódio, glicose e glicerina modificando-se as concentrações de nitrogênio e fósforo. Os cultivos foram realizados em fotobiorreatores fechados de 2 L. A concentração inicial de inóculo foi 0,15 g.L-1 e os ensaios foram mantidos em estufa termostatizada a 30 ºC com iluminância de 41,6 µmolfótons.m -2 .s -1 e fotoperíodo 12 h claro/escuro. Para a purificação de PHB, foi utilizada a biomassa da cianobactéria Spirulina sp. LEB 18, cultivada em meio Zarrouk. Após a extração do biopolímero bruto, a amostra foi desengordurada com hexano e purificada com 1,2-carbonato de propileno. Foram determinadas as purezas e as propriedades térmicas no PHB purificado. O biopolímero utilizado para produzir as nanofibras apresentava 70 % de pureza. A técnica para produção de nanofibras foi o electrospinning. As microalgas que apresentaram máxima produtividade foram Nostoc ellipsosporum e Spirulina sp. LEB 18 com rendimento de biopolímero 19,27 e 20,62 % em 10 e 15 d, respectivamente, na fase de máximo crescimento celular. O maior rendimento de biopolímeros (54,48 %) foi obtido quando se utilizou 8,4 g.L-1 de NaHCO3, 0,05 g.L-1 de NaNO3 e 0,1 g.L-1 de K2HPO4. A condição que proporcionou maior pureza do PHB foi a 130 ºC e 5 min de contato entre o solvente (1,2-carbonato de propileno) e o PHB. As análises térmicas para todas as amostras foram semelhantes em relação ao PHB padrão (Sigma-Aldrich). A purificação com 1,2-carbonato de propileno foi eficiente para o PHB extraído de microalga, alcançando pureza acima de 90 %. A condição que apresentou menores diâmetros de nanofibras foi ao utilizar solução contendo 20 % de biopolímero solubilizado em clorofórmio. As condições do electrospinning que apresentou nanofibras com diâmetros de 470 e 537 nm foram, vazão 150 µL.h-1 , diâmetro do capilar 0,45 mm e voltagens entre 24,1 e 29,6 kV, respectivamente. A microalga Spirulina sp. LEB 18 produz PHB ao utilizar menores concentrações de nutrientes no meio de cultivo, que pode ser purificado com 1,2-carbonato de propileno. Este biopolímero possui aplicabilidade para produção de nanofibras.

In situ characterization of porous VPO catalysts with fibrous structure: Identifying the redox behavior and the stability of active sites

Two VPO materials with fibrillar morphology have been prepared by the aid of electrospinning technique. One is a VPO carbon-supported material (VCF200) with fibrous morphology and very high surface area that is stable under oxidizing conditions up to 350C. The other material is a bulk mixed VPO oxide (VPO500) with fibrous structure obtained after optimizing the calcination of the carbon support in VCF200. Despite it is a bulk oxide material, this material exhibits a high surface area (> 60 m2/g). The redox behavior of both samples was monitored by in situ Raman spectroscopy under oxidation/reduction cycles. For the dehydrated supported sample (VCF200), the pyrophosphate phase (VO)2P2O7 (Raman ~930 cm-1) is detected, which has been described as the active phase (see Figure (a) below). This phase is quite stable since it does not disappear upon subsequent oxidation/reduction cycles. Under reduction conditions at 125C, in consecutive cycles, additional Raman bands appear at ~1090 cm-1 that are characteristic of the αII-VOPO4 phase. On the other hand, the bulk phases show a reversible behavior under redox cycles (Figure (b)). Under reducing conditions, a Raman band appears at ~980 cm-1 (β-VPO phase), whereas under oxidation conditions some segregation to VOx oxides occurs. Nevertheless, this segregation is reversible and the β-VPO phase forms again under reducing conditions. Thus, these results demonstrate that the active VPO phases of these fibrous catalysts are quite stable, and that their structure is reversible under several redox cycles, which make them suitable as oxidation catalysts.

Influence of processing conditions on polymorphic behavior, crystallinity, and morphology of electrospun poly(VInylidene fluoride) nanofibers

The polymorphism and crystallinity of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes, made from electrospinning of the PVDF in pure N,N-dimethylformamide (DMF) and DMF/acetone mixture solutions are studied. Influence of the processing and solution parameters such as flow rate, applied voltage, solvent system, and mixture ratio, on nanofiber morphology, total crystallinity, and crystal phase content of the nanofibers are investigated using scanning electron microscopy, wide-angle X-ray scattering, differential scanning calorimetric, and Fourier transform infrared spectroscopy. The results show that solutions of 20% w/w PVDF in two solvent systems of DMF and DMF/acetone (with volume ratios of 3/1 and 1/1) are electrospinnable; however, using DMF/acetone volume ratio of 1/3 led to blockage of the needle and spinning process was stopped. Very high fraction of β-phase (∼79%-85%) was obtained for investigated nanofiber, while degree of crystallinity increased to 59% which is quite high due to the strong influence of electrospinning on ordering the microstructure. Interestingly, ultrafine fibers with the diameter of 12 and 15 nm were obtained in this work. Uniform and bead free nanofiber was formed when a certain amount of acetone was added in to the electrospinning solution.

Polypyrrole-coated PDMS fibrous membrane: flexible strain sensor with distinctive resistance responses at different strain ranges

Flexible sensors capable of detecting large strain are very useful for health monitoring and sport applications. Here a strain sensor is prepared by applying a thin layer of conducting polymer, polypyrrole (PPy), onto the fiber surface of an elastic fibrous membrane, electrospun polydimethylsiloxane (PDMS). The sensor shows a normal monotonic resistance response to strain in the range of 0–50%, but the response becomes “on-off switching” mode when the strain is between 100 and 200%. Both response modes are reversible and can work repeatedly for many cycles. This unique sensing behavior is attributed to overstretching of the polypyrrole coating, unique fibrous structure, and elasticity of PDMS fibers. It may be useful for monitoring the states where motions are only allowed in a particular range such as joint rehabilitation.

High-sensitivity acoustic sensors from nanofibre webs

Considerable interest has been devoted to converting mechanical energy into electricity using polymer nanofibres. In particular, piezoelectric nanofibres produced by electrospinning have shown remarkable mechanical energy-to-electricity conversion ability. However, there is little data for the acoustic-to-electric conversion of electrospun nanofibres. Here we show that electrospun piezoelectric nanofibre webs have a strong acoustic-to-electric conversion ability. Using poly(vinylidene fluoride) as a model polymer and a sensor device that transfers sound directly to the nanofibre layer, we show that the sensor devices can detect low-frequency sound with a sensitivity as high as 266 mV Pa(-1). They can precisely distinguish sound waves in low to middle frequency region. These features make them especially suitable for noise detection. Our nanofibre device has more than five times higher sensitivity than a commercial piezoelectric poly(vinylidene fluoride) film device. Electrospun piezoelectric nanofibres may be useful for developing high-performance acoustic sensors.

Effect of vapor-phase glutaraldehyde crosslinking on electrospun starch fibers

In this work, we have proven that starch nanofibrous membranes with high tensile strength, water stability and non-cytotoxicity can be produced by electrospinning of starch solution and post-treatment with GTA in vapor phase. GTA vapor phase crosslinking plays a key role in forming water-stable nanofiber membrane and improving the mechanical properties. Comparing with non-crosslinked starch fibers, the crosslinked fibers are increased by nearly 10 times in tensile strength. The crosslinked starch fibrous membranes are non-cytotoxic. They may find applications in the fields of tissue engineering, pharmaceutical therapy and medical.

Online stretching of directly electrospun nanofiber yarns

Nanofiber yarns are important building blocks for making three-dimensional nanostructures, e.g. through a knitting or weaving process, with better mechanical properties than nanofiber nonwovens and well-controlled fibrous construction. However, it still remains challenging to produce quality nanofiber yarns in a sufficient rate. In this study, we have proven that online stretching during electrospinning of nanofiber yarns can considerably improve fiber alignment and molecular orientation within the yarn and increase yarn tensile strength, but reduce fiber/yarn diameters. By compensating twist during online stretching, the device can prepare nanofiber yarns with different stretch levels, but maintaining the same twist multiplier. This allows us to examine the effect of stretching on fiber and yarn morphology. It was interesting to find that on increasing the stretching ratio from 0% to 95%, the yarn diameter reduced from 135.1 ± 20.3 μm to 46.2 ± 10.2 μm, and the fiber diameter reduced from 998 ± 141 nm to 631 ± 98 nm, whereas the yarn tensile strength increased from 48.2 ± 5.6 MPa to 127.7 ± 5.4 MPa. Such an advanced yarn electrospinning technique can produce nanofiber yarn with an overall yarn production rate as high as 10 m min−1. This may be useful for production of nanofiber yarns for various applications.

Effect of solvent treatment on morphology, crystallinity and tensile properties of cellulose acetate nanofiber mats

Aligned nanofiber mats were prepared from cellulose acetate using an electrospinning technique. The nanofiber mats were then immersed in an ethanol/acetone mixture. The solvent treatment led to denser, more compact fibrous structure and slight decrease in fiber alignment. It increased fiber diameter and polymer crystallinity within fibers. These effects resulted in increase in the tensile strength of fibrous mats. Solvent treatment may offer a simple, efficient approach to improve the mechanical strength of nanofibrous mats.

Applications of electrospun nanofibers for electronic devices

In recent decades, electrospinning of nanofibers has progressed very rapidly in both scientific and technological aspects, and electrospun nanofibers have shown enormous potential for various applications. In particular, electrospun nanofibers have significantly enhanced the application performance of many electronic devices, such as solar cells, mechanical-to-electric energy harvesters, rechargeable batteries, supercapacitors, sensors, field-effect transistors, diodes, photodetectors, and electrochromic devices. This chapter provides a comprehensive summary on the recent progress in the application of electrospun nanofibers in electronic devices.

Study of lithium conducting single ion conductor based on polystyrene sulfonate for lithium battery application

The effect of processing history and morphology is of particular importance for lithium-ion electrolytes for achieving higher ionic conductivities. In this study, single ion conducting poly (4-lithium styrene sulfonic acid) was synthesized by neutralization reaction from polystyrene sulfonic acid, and the effect of morphology and processing method was studied by comparing pelletized, electrospun and gel samples. The PSSLi gels displayed best ionic conductivity, while the pelletized samples showed the worst ionic conductivity. Although electrospinning led to a free standing electrolyte, the lower amount of solvent phase led to lower ionic conductivity when compared to the PSSLi gel. The ionic conductivity at room temperature improved from 6.6 × 10−5 S/cm to 1.4 × 10−3 S/cm by optimizing the processing methodology and the lithium ion concentration. The results show that PSSLi based single ion conducting lithium (SICL) gels are a promising candidate for lithium ion battery application.