氮杂环接枝的磺化聚芳醚酮砜质子交换膜的制备与性能研究

发布时间：2020-05-04 09:28

【摘要】：质子交换膜作为质子交换膜燃料电池的核心部件,兼备传递质子与阻隔燃料和氧化剂的作用,其性能的好坏直接影响着质子交换膜燃料电池的应用。目前,应用最广泛的质子交换膜是已经商业化的杜邦公司生产的Nafion全氟磺酸膜,该膜本身具有优异的质子传导率、化学稳定性以及机械性能,从而备受青睐。但是昂贵的成本,较高的甲醇渗透性阻碍了Nafion膜的进一步发展应用,故而人们把寻找能够替代Nafion膜的聚合物材料作为主要研究方向。磺化聚芳醚酮砜是一种性能优异的工程材料,其出色的热稳定性、化学稳定性和低廉的价格,使其被认为是Nafion最有潜力的替代材料。然而传统的质子交换膜当温度高于80℃时,体系内水份快速流失,质子载体的减少直接影响膜的质子传导率。并且质子的传递与甲醇的渗透途径相同,所以质子传导率较高时常伴随着甲醇渗透系数过高的问题。研究者们想要建立一条不依靠水的质子传输通道,希望通过这种手段打破质子传导率和甲醇渗透率之间的限制,并且摆脱质子传递对水的依赖。本文首先制备出了含有羧基基团的磺化聚芳醚酮砜聚合物,然后通过接枝的手段将4-氨基吡啶固定到聚合物链上,希望接枝后的紧密结构能够有效地降低甲醇的渗透,同时利用氮杂环兼备的质子导体与受体的特性,构建一条只能传递质子的新的质子传输途径。通过测试发现随着吡啶接枝量的增加,25℃时膜的甲醇渗透系数由8.17×10~(-7)cm~2s~(-1)显著降低到8.92×10~(-8)cm~2s~(-1)。膜的质子传导率和相对选择性与接枝吡啶含量呈正相关。其中,SPP-4膜在100℃时质子电导率最高,为0.088 S cm~(-1)。为了进一步提高膜在中高温条件下的质子传导率,我们选用5-氨基四唑作为新的接枝物。因为与4-氨基吡啶(9.114)相比5-氨基四唑(8.1)具有更小的PKa值,从而解离程度更高,高的解离程度会降低溶剂效应,使质子的迁移更加容易。并且5-氨基四唑环上有4个N原子,就会为质子的传递提供更多的跳跃位点。通过与SPP-y膜的比较发现SPAT-4膜在100℃时质子传导率最高达到了0.0933 S cm~(-1),明显高于SPP-4膜,并且具有更高的相对选择性。
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4;TB383.2

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本文编号：2648332