聚酰亚胺/磷酸锆质子交换复合膜的制备与表征
发布时间：2021-01-26 10:57
为得到高效低成本的质子交换膜材料,选用磷酸锆（Zr P）引入聚酰亚胺（PI）有机基体中制备PI/Zr P质子交换复合膜。利用红外吸收光谱表征复合膜结构,通过扫描电镜观察复合膜形貌,并对复合膜的含水率、溶胀度、热稳定性和质子传导性能进行研究。实验结果表明:Zr P均匀分散在质子交换复合膜中,Zr P的加入增强了质子交换复合膜的保水性能和热稳定性。PI/Zr P质子交换复合膜能提供稳定的质子传输通道,随着Zr P掺杂量的增加复合膜的质子电导率升高,在90℃、相对湿度为100%的环境中,PI/20%Zr P复合膜的质子电导率达到3.61×10-2m S·cm-1。
【文章来源】：常州大学学报(自然科学版). 2016,28(01)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
磷酸锆的粒径分布图
?00%(2)式中:Sdry和Swet分别为干膜面积和湿膜面积，cm2。质子交换复合膜的质子电导率采用四电极交流阻抗法，通过上海华辰仪器公司的CHI600C电化学工作站在100Hz～100kHz内测定膜样品在去离子水中的阻抗值。样品质子电导率由公式(3)计算得到。σ=DLBＲ(3)式中:σ为复合膜的质子电导率，S·cm－1;D是两检测电极之间的距离，cm;L和B分别是样品膜的厚度和宽度，cm;Ｒ是膜的交流阻抗值，Ω。2结果与讨论2.1ZrP表征ZrP的粒径分布如图1所示。图中ZrP的平均粒径为825nm。ZrP的X射线衍射谱图如图2所示。从图中可以看出，在2θ=11.55o，19.68o，24.87o3处的衍射峰与文献［15］报道对应，且峰型尖而窄，说明样品晶度高，可用于掺杂实验。图1磷酸锆的粒径分布图Fig．1ParticlesizedistributionofZrP图2磷酸锆颗粒XＲD图Fig．2XＲDpatternofZrPparticles2.2PI/ZrP质子交换复合膜的红外分析图3为PI膜及PI/ZrP复合膜的红外光谱图。如图所示，1780cm－1处为C=O的不对称伸缩振动峰，1720cm－1处为C=O的对称伸缩振动特征峰，1380cm－1处的峰为亚胺环上C－N的伸缩振动，725cm－1处的峰归属于C=O的弯曲振动，这些是聚酰亚胺的特征吸收峰。其中，960～1125cm－1范围内的强吸收峰是磷酸基团的特征峰，这表明ZrP已经成功掺杂于PI膜内。2800～3500cm－1范围内的强吸收峰，对应于PI膜内亚胺环上的C=O与ZrP内的P-OH基团发生氢键缔合，以及P-OH相互之间发生分子间氢键共同引起的。图3PI膜和PI/ZrP复合膜红外图谱Fig．3FT-IＲspectraofPImembraneandPI/ZrPcompositemembranes2.3PI/ZrP质子交换复合膜的热稳定性分析图4为PI膜和PI/ZrP复合膜的热重分析图。从图中可以看出，?
暮焱夥治?图3为PI膜及PI/ZrP复合膜的红外光谱图。如图所示，1780cm－1处为C=O的不对称伸缩振动峰，1720cm－1处为C=O的对称伸缩振动特征峰，1380cm－1处的峰为亚胺环上C－N的伸缩振动，725cm－1处的峰归属于C=O的弯曲振动，这些是聚酰亚胺的特征吸收峰。其中，960～1125cm－1范围内的强吸收峰是磷酸基团的特征峰，这表明ZrP已经成功掺杂于PI膜内。2800～3500cm－1范围内的强吸收峰，对应于PI膜内亚胺环上的C=O与ZrP内的P-OH基团发生氢键缔合，以及P-OH相互之间发生分子间氢键共同引起的。图3PI膜和PI/ZrP复合膜红外图谱Fig．3FT-IＲspectraofPImembraneandPI/ZrPcompositemembranes2.3PI/ZrP质子交换复合膜的热稳定性分析图4为PI膜和PI/ZrP复合膜的热重分析图。从图中可以看出，随温度的升高PI膜的TGA曲线出现3个明显的失重台阶，第一阶段在20～100℃内约5%的失重主要对应于膜中水和残留溶剂的挥发。第二阶段在200～250℃内约5%的失重主要归因于PI的含氧官能团热分解。超过450℃的失重是由于PI主链发生热分解。图3中复合膜的失重曲线同PI膜相似。其中PI/5%ZrP和PI/10%ZrP复合膜在50～100℃内的失重超过PI膜，这是由于亲水ZrP微粒吸湿后水分随温度升高蒸发导致。另外，除PI/5%ZrP以外，其余复合膜的第二个失重阶梯并不明显，可能是因为ZrP颗粒抑制了膜的脱水以及膜内亚胺环上含氧官能团的分解。含ZrP颗粒较少的PI/5%ZrP膜在超过180℃以后，抑制水分蒸发能力不足导致失重增加。复合膜在600℃下的残留量均随掺杂量的升高而增加，ZrP的掺杂最终提高了膜的热稳定性。·30·
【参考文献】：
期刊论文
[1]交联剂含量对碱性阴离子交换膜性能的影响[J]. 林本才,冯天英,乔刚,储富强,袁宁一,丁建宁. 常州大学学报(自然科学版). 2015(03)
本文编号：3000990
【文章来源】：常州大学学报(自然科学版). 2016,28(01)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
磷酸锆的粒径分布图
?00%(2)式中:Sdry和Swet分别为干膜面积和湿膜面积，cm2。质子交换复合膜的质子电导率采用四电极交流阻抗法，通过上海华辰仪器公司的CHI600C电化学工作站在100Hz～100kHz内测定膜样品在去离子水中的阻抗值。样品质子电导率由公式(3)计算得到。σ=DLBＲ(3)式中:σ为复合膜的质子电导率，S·cm－1;D是两检测电极之间的距离，cm;L和B分别是样品膜的厚度和宽度，cm;Ｒ是膜的交流阻抗值，Ω。2结果与讨论2.1ZrP表征ZrP的粒径分布如图1所示。图中ZrP的平均粒径为825nm。ZrP的X射线衍射谱图如图2所示。从图中可以看出，在2θ=11.55o，19.68o，24.87o3处的衍射峰与文献［15］报道对应，且峰型尖而窄，说明样品晶度高，可用于掺杂实验。图1磷酸锆的粒径分布图Fig．1ParticlesizedistributionofZrP图2磷酸锆颗粒XＲD图Fig．2XＲDpatternofZrPparticles2.2PI/ZrP质子交换复合膜的红外分析图3为PI膜及PI/ZrP复合膜的红外光谱图。如图所示，1780cm－1处为C=O的不对称伸缩振动峰，1720cm－1处为C=O的对称伸缩振动特征峰，1380cm－1处的峰为亚胺环上C－N的伸缩振动，725cm－1处的峰归属于C=O的弯曲振动，这些是聚酰亚胺的特征吸收峰。其中，960～1125cm－1范围内的强吸收峰是磷酸基团的特征峰，这表明ZrP已经成功掺杂于PI膜内。2800～3500cm－1范围内的强吸收峰，对应于PI膜内亚胺环上的C=O与ZrP内的P-OH基团发生氢键缔合，以及P-OH相互之间发生分子间氢键共同引起的。图3PI膜和PI/ZrP复合膜红外图谱Fig．3FT-IＲspectraofPImembraneandPI/ZrPcompositemembranes2.3PI/ZrP质子交换复合膜的热稳定性分析图4为PI膜和PI/ZrP复合膜的热重分析图。从图中可以看出，?
暮焱夥治?图3为PI膜及PI/ZrP复合膜的红外光谱图。如图所示，1780cm－1处为C=O的不对称伸缩振动峰，1720cm－1处为C=O的对称伸缩振动特征峰，1380cm－1处的峰为亚胺环上C－N的伸缩振动，725cm－1处的峰归属于C=O的弯曲振动，这些是聚酰亚胺的特征吸收峰。其中，960～1125cm－1范围内的强吸收峰是磷酸基团的特征峰，这表明ZrP已经成功掺杂于PI膜内。2800～3500cm－1范围内的强吸收峰，对应于PI膜内亚胺环上的C=O与ZrP内的P-OH基团发生氢键缔合，以及P-OH相互之间发生分子间氢键共同引起的。图3PI膜和PI/ZrP复合膜红外图谱Fig．3FT-IＲspectraofPImembraneandPI/ZrPcompositemembranes2.3PI/ZrP质子交换复合膜的热稳定性分析图4为PI膜和PI/ZrP复合膜的热重分析图。从图中可以看出，随温度的升高PI膜的TGA曲线出现3个明显的失重台阶，第一阶段在20～100℃内约5%的失重主要对应于膜中水和残留溶剂的挥发。第二阶段在200～250℃内约5%的失重主要归因于PI的含氧官能团热分解。超过450℃的失重是由于PI主链发生热分解。图3中复合膜的失重曲线同PI膜相似。其中PI/5%ZrP和PI/10%ZrP复合膜在50～100℃内的失重超过PI膜，这是由于亲水ZrP微粒吸湿后水分随温度升高蒸发导致。另外，除PI/5%ZrP以外，其余复合膜的第二个失重阶梯并不明显，可能是因为ZrP颗粒抑制了膜的脱水以及膜内亚胺环上含氧官能团的分解。含ZrP颗粒较少的PI/5%ZrP膜在超过180℃以后，抑制水分蒸发能力不足导致失重增加。复合膜在600℃下的残留量均随掺杂量的升高而增加，ZrP的掺杂最终提高了膜的热稳定性。·30·
【参考文献】：
期刊论文
[1]交联剂含量对碱性阴离子交换膜性能的影响[J]. 林本才,冯天英,乔刚,储富强,袁宁一,丁建宁. 常州大学学报(自然科学版). 2015(03)
本文编号：3000990
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