季铵/羟基双功能化聚苯并咪唑阴离子交换膜用于钒电池
发布时间：2022-01-23 12:32
全钒液流电池（VRFB）是一种大型储能设备,具有寿命长,效率高,安全性高等优点。离子交换膜作为VRFB中重要的组成部分,直接影响电池的性能。目前,常用的Nafion系列膜存在价格高昂及严重的钒渗透的问题。近几年来,非氟阴离子交换膜由于低价及高的阻钒性能受到了广泛的关注,但是电导率受到了很大限制。因此,本论文中设计了季铵/羟基双功能化的聚苯并咪唑阴离子交换膜用于钒电池,荷正电的季铵基团通过Donnan效应排斥钒离子,提高了电池的库伦效率。此外,季铵基团可以结合水分子传导质子,羟基形成氢键辅助质子的传导。因此,得到了兼具高离子选择性和高质子传导率的离子交换膜。制备了不同功能化程度的聚苯并咪唑阴离子交换膜,随着季铵基团及羟基含量的增多,吸水率增大,面电阻从0.9Ωcm2下降至0.31Ωcm2。在200 mA cm-2下,取代度为112%的膜（PBI-GTA-112%）的电压效率（VE）仍高于80%且优于Nafion 212（77%）。溶胀度的略微增大并没有导致钒渗透的加剧,PBI-GTA-112%膜的钒渗透率为3.9×10
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Nafion结构示意图[49]
1.绪论6的迁移，加剧了钒渗透。针对Nafion膜离子选择性差的问题，通常使用的方法是利用无机或有机成分与Nafion磺酸基团之间的特殊相互作用来封闭它们的亲水簇[39-48]。图1.2Nafion结构示意图[49]Fig.1.2SchematicdiagramoftheNafionstructure图1.3水合Nafion的离子簇模型[50]Fig.1.3IonclustermodelforhydratedNafionQiu等人[39]制备了Nafion/SiO2杂化膜。结果表明，Nafion/SiO2杂化膜显示出比原始Nafion117膜更高的阻钒性能，这是由于原始Nafion膜的极性簇被SiO2纳米颗粒占据（如图1.4）。在20mAcm-2下，杂化膜的CE高于Nafion117（79.9%vs73.8%）。此外，在自放电测试中杂化膜的OCV维持时间在1.0V以上为35小时，时间几乎是Nafion膜的两倍。
辽宁科技大学硕士学位论文7图1.4Nafion/无机杂化膜示意图[39]Fig.1.4SchematicdiagramofNafion/inorganichybridmembraneZhang[51]等人制备了基于Nafion的复合膜。在Nafion膜的表面引入带正电的聚乙烯亚胺（PEI）层，提高了离子选择性。图1.5示出了该复合膜的制备过程。PEI层的引入有效地减少了钒离子的透过，并大大的降低了水迁移。Nafion复合膜的钒渗透率（1.7×10-7cm2min-1）低于Nafion117（36.55×10-7cm2min-1）。图1.5Nafion/有机杂化膜制备过程[51]Fig.1.5preparationprocessofNafion/organichybridmembrane
【参考文献】：
期刊论文
[1]Selectivity enhancement of quaternized poly（arylene ether ketone）membranes by ion segregation for vanadium redox flow batteries[J]. Yu Chen,Zhongcheng Liu,Meijin Lin,Qilang Lin,Bihai Tong,Dongyang Chen. Science China（Chemistry）. 2019(04)
[2]改进制备过程对WO3/ZrO2固体超强酸结构和酸性的影响[J]. 张存,马春艳,菅盘铭,刘晓勤. 高校化学工程学报. 2009(04)
[3]SO42-/MxOy型固体超强酸的形成机理及研究趋势[J]. 张萍,刘占荣,牛辉. 河北化工. 2004(05)
硕士论文
[1]咪唑/磺酸两性离子膜的制备及其钒电池性能[D]. 张彩绵.大连理工大学 2018
本文编号：3604356
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Nafion结构示意图[49]
1.绪论6的迁移，加剧了钒渗透。针对Nafion膜离子选择性差的问题，通常使用的方法是利用无机或有机成分与Nafion磺酸基团之间的特殊相互作用来封闭它们的亲水簇[39-48]。图1.2Nafion结构示意图[49]Fig.1.2SchematicdiagramoftheNafionstructure图1.3水合Nafion的离子簇模型[50]Fig.1.3IonclustermodelforhydratedNafionQiu等人[39]制备了Nafion/SiO2杂化膜。结果表明，Nafion/SiO2杂化膜显示出比原始Nafion117膜更高的阻钒性能，这是由于原始Nafion膜的极性簇被SiO2纳米颗粒占据（如图1.4）。在20mAcm-2下，杂化膜的CE高于Nafion117（79.9%vs73.8%）。此外，在自放电测试中杂化膜的OCV维持时间在1.0V以上为35小时，时间几乎是Nafion膜的两倍。
辽宁科技大学硕士学位论文7图1.4Nafion/无机杂化膜示意图[39]Fig.1.4SchematicdiagramofNafion/inorganichybridmembraneZhang[51]等人制备了基于Nafion的复合膜。在Nafion膜的表面引入带正电的聚乙烯亚胺（PEI）层，提高了离子选择性。图1.5示出了该复合膜的制备过程。PEI层的引入有效地减少了钒离子的透过，并大大的降低了水迁移。Nafion复合膜的钒渗透率（1.7×10-7cm2min-1）低于Nafion117（36.55×10-7cm2min-1）。图1.5Nafion/有机杂化膜制备过程[51]Fig.1.5preparationprocessofNafion/organichybridmembrane
【参考文献】：
期刊论文
[1]Selectivity enhancement of quaternized poly（arylene ether ketone）membranes by ion segregation for vanadium redox flow batteries[J]. Yu Chen,Zhongcheng Liu,Meijin Lin,Qilang Lin,Bihai Tong,Dongyang Chen. Science China（Chemistry）. 2019(04)
[2]改进制备过程对WO3/ZrO2固体超强酸结构和酸性的影响[J]. 张存,马春艳,菅盘铭,刘晓勤. 高校化学工程学报. 2009(04)
[3]SO42-/MxOy型固体超强酸的形成机理及研究趋势[J]. 张萍,刘占荣,牛辉. 河北化工. 2004(05)
硕士论文
[1]咪唑/磺酸两性离子膜的制备及其钒电池性能[D]. 张彩绵.大连理工大学 2018
本文编号：3604356
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