碱性复合阴离子交换膜的制备及表征

发布时间：2017-06-11 15:06

  本文关键词：碱性复合阴离子交换膜的制备及表征，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs),因具有独特燃料渗透率低、效率高、水管理简单等优势,近年来日益引起广泛关注。阴离子交换膜(AEMs)是AEMFC的关键材料,目前存在的问题主要有:(i)氢氧根离子传导率低,(ii)稳定性差。为此,本论文拟通过向高分子膜基质中引入无机或有机材料在膜内构筑传导路径,以提高其氢氧根离子传导率,同时借助两类材料间的相互作用力提高膜结构稳定性,进而赋予膜传导稳定性。主要研究内容包括:(1)应用沉淀共蒸馏聚合技术合成了咪唑高分子层功能化的氧化石墨烯(GO),并以壳聚糖(CS)为基质制备复合膜。并对膜的氢氧根离子电导率等性能进行了表征与测试。同时系统研究了咪唑环上所带侧链对其传递能力的影响及其规律。复合膜表现出较好的稳定性和传导率,性能最优的复合膜CS/E-Im GO-2.0在90℃、100%RH条件下的传导率达到1.02×10-2S cm-1,是CS空白膜传导率(2.51×10-3 S cm-1)的4倍。(2)应用原子转移自由基聚合技术设计合成了基于咪唑高分子刷改性的GO(AIm GO),以成膜性较好的聚乙烯醇(PVA)为膜基质制备复合膜。研究发现,AIm GOs上接枝的咪唑高分子刷与PVA链之间具有很好的相容性,而且高分子刷能够嵌入膜基质中,在两者的共同作用下,实现离子氢氧根离子的快速传递。结果表明,接枝长咪唑高分子刷修饰GO填充的复合膜具有优异的氢氧根离子传递性能,PVA/EL-AIm GO-2.0在80℃,100%RH下的传导率达到了6.01×10-2 S cm-1,比纯PVA空白膜(3.16×10-2 S cm-1)提高了191.7%。(3)应用静电纺丝技术,制备PVA-NF和PVACS-NF两种纳米纤维,然后分别以CS和PVA为膜基质,填充纤维的空隙制备出纤维复合膜,以此来研究聚合物纤维化对膜的理化性能以及氢氧根离子传导性能的影响。结果发现,纤维复合膜比空白膜表现出更好的氢氧根离子传递性能,复合膜CS/PVACS-NF和PVA/PVACS-NF在80℃,100%RH下,分别达到了5.18×10-2S cm-1和5.52×10-2S cm-1的氢氧根离子传导率。
【关键词】：碱性燃料电池 阴离子交换膜 有机无机杂化 高分子层 高分子刷 静电纺丝
【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】：TQ425.236;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 引言9
• 1.2 碱性燃料电池9-11
• 1.2.1 燃料电池的基本原理9-10
• 1.2.2 燃料电池的优缺点10-11
• 1.2.3 燃料电池的分类及特点11
• 1.3 聚合物电解质膜燃料电池11-14
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池12-13
• 1.3.2 碱性阴离子交换膜燃料电池13-14
• 1.4 碱性阴离子交换膜的性能14-18
• 1.4.1 离子功能基团降解机理14-16
• 1.4.2 氢氧根离子在膜内的传递机理16-18
• 1.5 论文选题及其意义18-19
• 2 实验部分19-24
• 2.1 实验试剂、材料与仪器19-20
• 2.1.1 实验试剂与材料19-20
• 2.1.2 实验设备与仪器20
• 2.2 膜的结构表征20-21
• 2.2.1 傅里叶变换红外光谱（FTIR）20-21
• 2.2.2 透射电子显微镜（TEM）21
• 2.2.3 场发射扫描电镜（FESEM）21
• 2.2.4 热重分析（TGA）21
• 2.2.5 X射线衍射（XRD）21
• 2.3 膜的性能测试21-24
• 2.3.1 吸水率（Water uptake）和溶胀度（Swelling ratio）21-22
• 2.3.2 离子交换容量（IEC）22
• 2.3.3 氢氧根离子传导率22-24
• 3 改性GO/壳聚糖碱性复合膜的制备24-40
• 3.1 复合膜的制备24-25
• 3.1.1 GO和Im GO的制备24
• 3.1.2 复合膜的制备24-25
• 3.2 GO和Im GO的表征25-28
• 3.3 膜的制备与物理化学性质表征28-33
• 3.4 膜吸水率和溶胀性能研究33-34
• 3.5 膜的IEC和氢氧根离子传递性能34-39
• 3.5.1 膜的IEC34-35
• 3.5.2 膜氢氧根离子传导率35-39
• 3.6 小结39-40
• 4 咪唑高分子刷修饰的GO/PVA复合膜的制备40-55
• 4.1 基于PVA复合膜的制备40-42
• 4.1.1 GO和AImGOs的制备40-41
• 4.1.2 PVA复合膜的制备41-42
• 4.2 GO和AImGOs的表征42-45
• 4.3 膜的结构表征及其物化性质45-48
• 4.4 膜的吸水溶胀和IEC48-50
• 4.5 膜的氢氧根离子传递性能研究50-53
• 4.6 小结53-55
• 5 静电纺丝技术制备纳米纤维复合膜55-67
• 5.1 纳米纤维复合膜的制备56-57
• 5.1.1 PVA-NF和PVA&CS-NF纳米纤维的制备56
• 5.1.2 PVA/PVA-NF、CS/ PVA-NF、PVA/PVA&CS-NF、CS/PVA&CS-NF纳米纤维复合膜的制备56-57
• 5.2 PVA-NF和PVA&CS-NF纳米纤维的表征57-58
• 5.3 纳米纤维复合膜的结构表征与物化性质测试58-61
• 5.4 纳米纤维复合膜的吸水溶胀61-63
• 5.5 纳米纤维复合膜的氢氧根离子传导率63-65
• 5.6 小结65-67
• 6 结论67-68
• 参考文献68-73
• 个人简历、攻读硕士期间发表论文情况73-74
• 致谢74

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