无机粒子复合型及氮杂环修饰型质子交换膜材料的制备与性能研究

发布时间：2020-06-26 13:05

【摘要】：质子交换膜材料作为质子交换膜燃料电池的“心脏”,理应得到更好的关注及研究来推动燃料电池的发展。目前Nafion膜材料虽然实现了商业化,但依然存在很多不足。磺化聚芳醚酮类质子交换膜材料具有优异的机械性能,热性能以及较高的质子传导率,是最有前景的质子交换膜材料之一。但高温下随着水分的蒸发流失,其质子传导率急剧下降,依然无法满足燃料电池的要求。因此,对磺化芳香类质子交换膜材料进行改性势在必行。因此,本论文针对以上问题,制备了两种新磺化聚芳醚酮类质子交换膜材料并开展研究工作。首先,在磺化聚芳醚酮(SPAEK)基础上制备有机-无机复合型质子交换膜材料。磺化聚芳醚酮聚合物作为磺化芳香类聚合物的一种,具有热稳定性高,机械性能好,化学稳定性好,成本低等优点。氨基化介孔二氧化硅纳米粒子(NH_2-Si O_2)作为无机粒子掺杂到聚合物基质中,制备出有机-无机复合型质子交换膜材料。NH_2-Si O_2具有无机粒子的特有的优点,即比表面积较大可以增强膜材料的保水能力,使得聚合物膜材料在中高温条件下仍能拥有较高的质子传导率;同时,氨基和磺酸基之间还存在酸碱离子相互作用,使聚合物膜材料保持一定的机械性能和尺寸稳定性。其中SPAEK/NH_2-Si O_2-7%在80℃是具有突出的保水能力(水的脱附系数为1.37×10~(-10) cm~2/s));SPAEK/NH_2-Si O_2-5%在100℃时质子传导率为0.159 S cm~(-1)高于SPAEK的0.0413 S cm~(-1)。其次,为了进一步提高磺化聚芳醚酮质子交换膜材料的综合性能,意图在聚合物主链上直接进行修饰来提高质子传导率。以磺化聚芳醚酮为基质引入氮杂环结构,制备含有氮杂环的质子交换膜材料。咪唑作为氮杂环的一种,可以同时充当质子的给体和供体,在中高温和低湿度情况下提高聚合物膜材料的质子传导率。SPI-3在100℃时质子传导率为0.25 S cm~(-1)高于Am-SPAEK-2的0.109S cm~(-1)。同时表现出较为优异的机械性能和氧化稳定性。
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TM911.4

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本文编号：2730350