通过叠氮化合物固相反应制备高性能聚苯并咪唑质子交换膜

发布时间：2020-07-24 02:09

【摘要】：质子交换膜燃料电池具有比功率高,能量循环效率高,工作温度低,启动快,环境友好等优点,是目前最有希望应用于便携式电源、小型固定发电站、电动自行车等的动力电源。质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件,直接影响电池的性能、能量转化效率及电池的使用寿命等。美国杜邦公司生产的Nafion膜是已工业化质子交换膜的典型代表。虽然Nafion膜具有高的质子电导率和较好的化学稳定性,但由于其耐高温性能差及成本昂贵等不足,制约了Nafion膜在质子交换膜燃料电池中的应用。为满足发展需要,科研工作者近年来做了大量的研究工作开发新型质子交换膜。其中,磺化聚苯并咪唑(s-PBI)是一类新型的质子交换膜,具有优异的热性能、力学性能、化学稳定性和良好的质子电导率。传统的s-PBI质子膜是由磺化单体通过共缩聚反应来制备,随着磺化单体的含量的提高,则难以获得高分子量的PBI聚合物。结果,影响了s-PBI的热稳定性、力学性能、溶解性和导电率。本文采用两步法:先合成PBI聚合物,再将含有磺酸基团的叠氮化合物与PBI进行接枝反应来制备s-PBI质子膜。对s-PBI质子膜进行了结构和性能表征,探讨了磺化官能团含量对PBI质子膜性能的影响。论文主要分为以下几个部分:(1)以4,4-二羧基二苯醚(OBBA)与3,3',4,4'-联苯四胺(DAB)为单体,多聚磷酸(PPA)为溶剂,通过高温溶液共缩聚制备了可溶性的聚苯并咪唑,采用溶剂流延法制备了PBI膜。与此同时,以氨基苯磺酸和氨基萘磺酸为原料合成了叠氮苯磺酸和叠氮萘磺酸化合物。通过核磁和红外表征,制备的PBI聚合物、叠氮苯磺酸和叠氮萘磺酸具有预期的结构。(2)通过PBI与叠氮苯磺酸或叠氮萘磺酸的固相反应,制备了磺化聚苯并咪唑(s-PBI)。通过改变叠氮磺酸的含量,制备了一系列s-PBI质子膜。较系统地考查了磺化度对PBI质子膜的电导率的影响,研究表明:随着磺酸基团含量的增加,膜的质子电导率呈现增长趋势;当叠氮苯磺酸侧基含量为40 wt%时,s-PBI的导电率为4.382×10-3 S/cm,膜仍然具有良好的力学强度和耐热性能(39.72MPa,断裂伸长率为96%,T10%=360℃);而以叠氮萘磺酸为侧基的s-PBI质子膜,其含量为40 wt%时,电导率为6.593×10-3 S/cm,复合膜仍具有良好的力学强度(41.21 MPa)和热稳定性能(T10%=320℃)。(3)聚苯胺(PANI)具有良好的导电性能,因此PANI的加入也可提高PBI复合膜的质子电导率。通过物理共混法,将PBI与聚苯胺(PANI)均匀混合,同时加入叠氮苯磺酸进行固相接枝反应,制备s-PBI/PANI复合质子膜。分别探索了不同含量PANI分别对PBI/PANI复合膜与s-PBI/PANI复合膜质子电导率的影响。结果表明,共混40 wt%PANI的PBI/PANI复合膜具有最高的质子电导率,其质子电导率高达6.036×10-3 S/cm,力学性能与耐热性能均保持良好(32.02MPa,断裂伸长率为49%,T10%=460℃)同时,加入20 wt%PANI与10 wt%叠氮苯磺酸的s-PBI/PANI复合膜的电导率可达5.677×10-3 S/cm。
【学位授予单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2;TM911.4

【参考文献】