自交联聚乙烯亚胺-聚砜高温质子交换膜研究
发布时间：2021-01-29 17:19
为了制备出兼具高电导率和优异力学性能的高温质子交换膜,本工作采用化学自交联的方法将含氮功能基团聚乙烯亚胺（PEI,平均分子量200）接枝到氯甲基化聚砜（CMPSF）高分子链上制备磷酸掺杂型高温质子交换膜的基膜（PEI-PSF）.其中,PEI上的含氮功能基团既作为磷酸吸附位点,使高温质子交换膜获得高的质子传导率,同时又作为交联位点与CMPSF高分子链上的苄氯基团发生自交联反应,使聚合物膜具有优良的力学性能.傅里叶变换红外光谱和X-射线光电子能谱测试结果表明,CMPSF高分子链上的苄氯基团与PEI上的含氮功能基团发生完全反应,且随着聚砜氯甲基化程度的增加,膜中引入的PEI含量相应增加,进而提升了PEI-PSF膜的磷酸掺杂水平.氯甲基化程度为58%的PEI-PSF膜（PEI-PSF-58）磷酸吸附量达到122 wt%,在180℃无水条件下质子电导率达到3.4×10-2 S·cm-1,同时该复合膜拉伸强度达到30MPa.基于磷酸掺杂的PEI-PSF-58复合膜的高温质子交换膜燃料电池在150℃干气条件下的输出峰功率达到200 mW·cm-2...
【文章来源】：化学学报. 2020,78(01)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
聚合物核磁共振氢谱.(a)PSF,(b)CMPSF-58
CMPSF上的苄氯基团与PEI发生交联反应之后造成Cl元素和N元素化学环境发生变化,如图4所示.图4a为CMPSF-58和PEI-PSF-58膜的Cl元素XPS精细谱.对于未加入PEI的CMPSF-58膜,出现了Cl 2p的峰,分别由Cl 2p3/2的199.8 eV和Cl 2p1/2的201.5 eV峰组成,这是共价键合的氯物种的特征峰[26].而与PEI发生交联反应后形成的PEI-PSF-58中Cl元素的能谱峰基本消失,说明CMPSF中以共价键存在的Cl元素基本上全部转为离子态的氯离子,并通过离子交换后被交换出膜材料.图4b为CMPSF和PEI-PSF膜的N元素XPS精细谱.由图4b可知,PEI-PSF中出现了Ⅰ、Ⅱ两个N 1s峰,位于399.07 eV处的Ⅰ代表着仲胺N的特征峰,而位于400.22 e V处的Ⅱ代表着叔胺N的特征峰[27].峰Ⅰ、Ⅱ面积基本相同,即交联后叔胺和仲胺的数量基本相等,表明苄氯基团主要是和PEI中的伯胺和仲胺发生交联反应.另外,未见伯胺N的特征峰,说明了PEI中伯胺N全部与CMPSF-58中的苄氯基团发生了交联反应.图4 CMPSF-58和PEI-PSF-58的XPS谱图.(a)Cl 2p电子结合能,(b)N 1s电子结合能
图3 PSF,CMPSF和PEI-PSF膜的傅里叶变换红外光谱图图5为PSF和PEI-PSF-58在氮气气氛下的热重分析曲线.PSF作为一种热稳定性优异的工程塑料[28～30],其起始热分解温度为480℃左右.所制备的PEI-PSF-58膜材料在210℃后开始失重,主要是由于侧链PEI的热分解所致[31].因此,所制备的PEI-PSF可以满足高温质子交换膜150℃左右的温度范围使用要求.
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纳米管添加剂对质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极性能的影响研究[J]. 崔丽瑞,张劲,孙一焱,卢善富,相艳. 化学学报. 2019(01)
[2]酞菁钴催化剂载体表面含氮官能团对其在燃料电池中氧还原性能的影响[J]. 黄文姣,张浩宇,胡硕真,钮东方,张新胜. 化学学报. 2018(09)
[3]氧还原碳基非贵金属电催化剂研究进展[J]. 钟国玉,王红娟,余皓,彭峰. 化学学报. 2017(10)
[4]四氧化三铁/聚乙烯亚胺纳米颗粒的制备及除磷性能的研究[J]. 胡小莲,唐婉莹,何世颖,杨林章,张婉,修瑞瑞. 环境科学学报. 2017(11)
[5]燃料电池用磷酸掺杂高温质子交换膜研究进展[J]. 卢善富,徐鑫,张劲,相艳. 中国科学:化学. 2017(05)
[6]锗纳米管催化的氧还原反应:催化性能和机理研究[J]. 陈鑫,鄢慧君,夏定国. 化学学报. 2017(02)
[7]核壳结构催化剂应用于质子交换膜燃料电池氧还原的研究进展[J]. 朱红,骆明川,蔡业政,孙照楠. 物理化学学报. 2016(10)
[8]双极界面聚合物膜燃料电池Ⅱ:阴极催化层结构优化[J]. 徐鑫,彭思侃,张劲,卢善富,相艳. 化学学报. 2016(03)
[9]双极界面聚合物膜燃料电池Ⅰ:膜电极构型[J]. 彭思侃,徐鑫,张劲,刘祎阳,卢善富,相艳. 化学学报. 2015(02)
本文编号：3007273
【文章来源】：化学学报. 2020,78(01)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
聚合物核磁共振氢谱.(a)PSF,(b)CMPSF-58
CMPSF上的苄氯基团与PEI发生交联反应之后造成Cl元素和N元素化学环境发生变化,如图4所示.图4a为CMPSF-58和PEI-PSF-58膜的Cl元素XPS精细谱.对于未加入PEI的CMPSF-58膜,出现了Cl 2p的峰,分别由Cl 2p3/2的199.8 eV和Cl 2p1/2的201.5 eV峰组成,这是共价键合的氯物种的特征峰[26].而与PEI发生交联反应后形成的PEI-PSF-58中Cl元素的能谱峰基本消失,说明CMPSF中以共价键存在的Cl元素基本上全部转为离子态的氯离子,并通过离子交换后被交换出膜材料.图4b为CMPSF和PEI-PSF膜的N元素XPS精细谱.由图4b可知,PEI-PSF中出现了Ⅰ、Ⅱ两个N 1s峰,位于399.07 eV处的Ⅰ代表着仲胺N的特征峰,而位于400.22 e V处的Ⅱ代表着叔胺N的特征峰[27].峰Ⅰ、Ⅱ面积基本相同,即交联后叔胺和仲胺的数量基本相等,表明苄氯基团主要是和PEI中的伯胺和仲胺发生交联反应.另外,未见伯胺N的特征峰,说明了PEI中伯胺N全部与CMPSF-58中的苄氯基团发生了交联反应.图4 CMPSF-58和PEI-PSF-58的XPS谱图.(a)Cl 2p电子结合能,(b)N 1s电子结合能
图3 PSF,CMPSF和PEI-PSF膜的傅里叶变换红外光谱图图5为PSF和PEI-PSF-58在氮气气氛下的热重分析曲线.PSF作为一种热稳定性优异的工程塑料[28～30],其起始热分解温度为480℃左右.所制备的PEI-PSF-58膜材料在210℃后开始失重,主要是由于侧链PEI的热分解所致[31].因此,所制备的PEI-PSF可以满足高温质子交换膜150℃左右的温度范围使用要求.
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纳米管添加剂对质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极性能的影响研究[J]. 崔丽瑞,张劲,孙一焱,卢善富,相艳. 化学学报. 2019(01)
[2]酞菁钴催化剂载体表面含氮官能团对其在燃料电池中氧还原性能的影响[J]. 黄文姣,张浩宇,胡硕真,钮东方,张新胜. 化学学报. 2018(09)
[3]氧还原碳基非贵金属电催化剂研究进展[J]. 钟国玉,王红娟,余皓,彭峰. 化学学报. 2017(10)
[4]四氧化三铁/聚乙烯亚胺纳米颗粒的制备及除磷性能的研究[J]. 胡小莲,唐婉莹,何世颖,杨林章,张婉,修瑞瑞. 环境科学学报. 2017(11)
[5]燃料电池用磷酸掺杂高温质子交换膜研究进展[J]. 卢善富,徐鑫,张劲,相艳. 中国科学:化学. 2017(05)
[6]锗纳米管催化的氧还原反应:催化性能和机理研究[J]. 陈鑫,鄢慧君,夏定国. 化学学报. 2017(02)
[7]核壳结构催化剂应用于质子交换膜燃料电池氧还原的研究进展[J]. 朱红,骆明川,蔡业政,孙照楠. 物理化学学报. 2016(10)
[8]双极界面聚合物膜燃料电池Ⅱ:阴极催化层结构优化[J]. 徐鑫,彭思侃,张劲,卢善富,相艳. 化学学报. 2016(03)
[9]双极界面聚合物膜燃料电池Ⅰ:膜电极构型[J]. 彭思侃,徐鑫,张劲,刘祎阳,卢善富,相艳. 化学学报. 2015(02)
本文编号：3007273
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