基于新型聚芳醚砜的碱性燃料电池隔膜的合成及性能研究

发布时间：2017-10-13 02:17

  本文关键词：基于新型聚芳醚砜的碱性燃料电池隔膜的合成及性能研究

  更多相关文章： 阴离子交换膜 吗啡啉功能化聚合物 电导率 稳定性

【摘要】：燃料电池近来逐渐成为研究的热点,尤其是成本低廉的碱性燃料电池(AMFCs)近来备受关注。但是作为核心部件的阴离子交换膜,在导电性能与力学性能方面与实际应用的要求还有一定的差距。本论文主要致力于研发新型的带有两个官能团的单体,再通过分子设计的方法制备出不同种类的阴离子聚合物膜,期望能同时获得较高的离子电导率和较好的力学稳定性。首先以联苯、多聚甲醛和吗啡啉为原料,利用曼尼希反应合成了3,3'-二吗啡啉甲基-4,4'-二羟基二联苯单体,简称DMPBP。再以单体DMPBP与双酚A和4,4'-二氟二苯砜进行缩聚反应,合成出DMPBP含量不同的无规共聚物(PESTN-X,X为单体DMPBP占总的含羟基单体的摩尔百分比),然后再与碘甲烷(CH3I)反应得到季铵化产物(PESQNI-X),最后铺膜碱化,得到无规共聚物膜(PESQNOH-X)。核磁氢谱表明,合成了目标单体和目标聚合物。膜的性能测试结果表明,无规共聚物膜的离子交换容量和电导率都很高,但温度升高,吸水率急剧增加,机械强度下降,难以应用。在论文第二部分,通过分子设计方法合成了一种嵌段聚合物。首先以单体DMPBP和4,4'-二氟二苯砜为原料合成了聚合度(DP)为4的低聚物,简称BDMPBP,再用此低聚物与双酚A和4,4'-二氟二苯砜进行缩聚反应,合成一系列比例不同的嵌段聚合物BPESTN-X(X为低聚物BDMPBP占总含氟单体的摩尔百分比),经过季铵化反应得到聚合物BPESQNI-X,最后碱化得到嵌段聚合物BPESQNOH-X。BPESQNOH-X膜具有好的力学稳定性,耐碱稳定性强于无规共聚物而且还可以保持高的离子电导率。例如离子交换容量数值最高(2.21mmol/g)的BPESQNOH-60膜温度为20 oC时,离子电导率达到了4.32×10-2 S/cm,此时的吸水率为33%;在80 oC时,离子电导率达到了5.32×10-2 S/cm,此时的吸水率仅为40%。结果表明,嵌段聚合物在碱性燃料电池的应用方面比无规聚合物更有潜力。通过分子设计方法合成的嵌段型的聚合物与无规共聚物相比有更明显的亲水区域(聚集在聚合物的侧链)和疏水区域(聚集在聚合物的主链),正是因为这种内部的相分离结构的作用,有利于在膜内形成连续的离子传输通道。
【关键词】：阴离子交换膜 吗啡啉功能化聚合物 电导率 稳定性
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ317;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 符号说明注释表10-11
• 第一章 前言11-27
• 1.1 燃料电池11-13
• 1.1.1 燃料电池的工作原理11-12
• 1.1.2 燃料电池的分类12-13
• 1.2 聚合物电解质燃料电池的分类13-18
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池（PEMFCs）14-15
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池（PEMFCs）存在的问题15-16
• 1.2.3 阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）16-18
• 1.3 碱性阴离子交换膜（AEM）18-20
• 1.3.1 阴离子交换膜(AEM)的使用要求18-19
• 1.3.2 商业化的阴离子交换膜(AEM)19-20
• 1.4 阴离子交换膜(AEM)的研究近况20-25
• 1.5 选题意义及研究内容25-27
• 第二章 实验材料与性能测试的方法27-32
• 2.1 实验设备及实验材料27-29
• 2.1.1 实验设备27
• 2.1.2 实验材料及试剂27-28
• 2.1.3 所用原料及试剂的提纯28-29
• 2.2 膜的表征及性能测试29-32
• 2.2.1 核磁共振分析（NMR）29
• 2.2.2 红外光谱（IR）29
• 2.2.3 特性粘度（[η]）29
• 2.2.4 吸水率（WU）及溶胀率（SR）29-30
• 2.2.5 离子交换容量（IEC）30
• 2.2.6 膜的耐碱稳定性30
• 2.2.7 抗氧化性能的测试30
• 2.2.8 热重分析（TG）30-31
• 2.2.9 电导率31-32
• 第三章 含单体DMPBP的无规聚芳醚砜类阴离子交换膜32-48
• 3.1 引言32
• 3.2 单体DMPBP的合成及表征32-34
• 3.2.1 单体DMPBP的合成32-33
• 3.2.2 单体DMPBP的表征33-34
• 3.3 含单体DMPBP的无规聚芳醚砜的制备与季铵化34-41
• 3.3.1 无规聚芳醚砜PESTN的合成和核磁分析34-38
• 3.3.2 季铵化无规聚芳醚砜PESQNI的合成和核磁分析38-40
• 3.3.3 PESQNOH膜的制备40
• 3.3.4 不同比例的PESTN-X，PESQNI-X和PESQNOH-X的粘度分析40-41
• 3.4 无规聚合物的性能研究41-47
• 3.4.1 无规聚合物PESTN的热性能研究41-42
• 3.4.2 离子交换容量、吸水率和电导率42-45
• 3.4.3 膜的耐碱稳定性45-47
• 3.5 小结47-48
• 第四章 含低聚物BDMPDP的嵌段聚醚砜类阴离子交换膜48-64
• 4.1 引言48
• 4.2 低聚物BDMPDP的合成及结构表征48-51
• 4.2.1 低聚物BDMPDP的合成48-50
• 4.2.2 低聚物BDMPDP的表征50-51
• 4.3 含BDMPDP的嵌段聚芳醚砜的制备与季铵化51-56
• 4.3.1 含BDMPDP的嵌段聚芳醚砜BPESTN的合成51-52
• 4.3.2 CH_3季铵化嵌段聚芳醚砜BPESTN的BPESQNI的合成52-53
• 4.3.3 聚合物BPESTN和BPESQNI的表征53-55
• 4.3.4 膜的制备55-56
• 4.4 嵌段聚合物的性能研究56-63
• 4.4.1 嵌段聚合物的热稳定性56-57
• 4.4.2 离子交换容量、溶胀率和吸水率57-60
• 4.4.3 膜的离子电导率60-61
• 4.4.4 膜的化学稳定性61-63
• 4.5 小结63-64
• 第五章 结论64-66
• 参考文献66-73
• 附图73-78
• 个人简历78-79
• 致谢79

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本文编号：1022264