燃料电池自交联季铵化聚醚砜阴离子交换膜的制备与研究

发布时间：2017-06-29 21:23

  本文关键词：燃料电池自交联季铵化聚醚砜阴离子交换膜的制备与研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本论文针对聚合物电解质膜燃料电池用阴离子交换膜电导率较低及稳定性较差的问题,通过自交联反应制备了几类基于季铵化聚醚砜的阴离子交换膜材料,考察了膜的吸水及膨胀特性、离子传导率、热／化学稳定性等基本性能,并探讨了膜结构-交联剂-性能之间的关系。首先,采用双酚芴、六氟双酚A和4,4'-二氟二苯砜为原料,经亲核取代、傅克氯甲基化,以三乙烯二胺(DABCO)及三甲胺为交联剂及季铵化试剂,经碱交换后,成功制备出一系列离子交换容量(IEC)约为1.20 mmol/g具有不同交联度(0～100%)的DABCO交联阴离子交换膜(BHPF-DABCO)。经溶液浇铸法制得的膜均透明柔韧,结构均一。结果表明：随着交联度的增加,膜的吸水率先增大后减小,尺寸变化率及离子传导率呈下降趋势,而高温水解稳定性和抗氧化稳定性呈上升趋势。在30～90℃,该系列交联膜的吸水率为14.6～53.2%,尺寸变化率为3.3%-13.7%,离子传导率为5.2-48.4 mS/cm。交联膜在140℃的水解稳定性大幅增强,处理24 h后仍保持较高的机械强度且重量损失低于2.6%,交联度≥60%时,经1 mol/LNaOH溶液于60℃处理168 h后,离子传导率仍能保持70%以上。其次,以N、N、N'、N'-四甲基己二胺(TMHDA)代替DABCO,采用相似步骤制备了一系列IEC约为1.36-1.46mmol/g具有不同交联度(0-100%)的TMHDA交联阴离子交换膜(BHPF-TMHDA),膜均透明柔韧,结构均一。结果表明：TMHDA交联膜的吸水率、尺寸变化率、离子传导率均随着交联度的增加而减小,但高温水解稳定性和抗氧化稳定性随着交联度的增加而增强。在30～90℃,该系列交联膜的吸水率为41.7～76.9%,尺寸变化率为4.0%-13.8%,离子传导率为5.1-62.0 mS/cm。交联度≥40%时,交联膜在140℃水中处理24 h后仍保持较高的机械强度且重量损失低于9.4%。与BHPF-DABCO系列膜相比,BHPF-TMHDA系列膜显示出更好的抗氧化稳定性,经80℃Fenton试剂处理后能保持2.1～15.4 h不破碎,而前者仅为2.3～5.5 h。最后,以双酚A代替刚性的双酚芴,选择TMHDA为交联剂,制备了一系列IEC约为0.80 mmol/g的具有不同交联度(0-100%)的TMHDA交联阴离子交换膜(BPA-TMHDA),膜均透明柔韧,结构均一。结果表明：尽管IEC低43%,BPA-TMHDA系列膜的吸水率、尺寸变化率及离子传导率大幅高于BHPF-TMHDA系列膜。在30～90℃时,该系列膜的吸水率达到86.3～160.6%,尺寸变化率为4.5-33.1%,离子传导率为15.4～61.7 mS/cm。与BHPF-TMHDA系列膜相比,BPA-TMHDA系列膜高温水解稳定性及尺寸稳定性较差。以上所有制备的自交联型阴离子交换膜材料,在满足最低离子传导率(10mS/cm)要求的前提下,主链中含有双酚芴单元,采用TMHDA为交联剂的BHPF-TMHDA系列膜具有较好的物理、化学稳定性,在燃料电池中具有较好的应用前景。
【关键词】：燃料电池 阴离子交换膜 自交联 三乙烯二胺(DABCO) N N N’ N’-四甲基己二胺(TMHDA)
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 1 绪论15-35
• 1.1 燃料电池15-16
• 1.2 聚合物电解质燃料电池16-19
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池(PEMFCs)17-18
• 1.2.2 阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)18-19
• 1.3 阴离子交换膜(AEM)19-30
• 1.3.1 商业化阴离子交换膜21
• 1.3.2 辐射接枝类(GF)阴离子交换膜21-22
• 1.3.3 聚醚砜类(PES)阴离子交换膜22-25
• 1.3.4 聚芳醚酮类(PAEK)阴离子交换膜25-26
• 1.3.5 聚苯并咪唑类(PBI)阴离子交换膜26-28
• 1.3.6 聚乙烯醇类(PVA)阴离子交换膜28-29
• 1.3.7 其他类型阴离子交换膜29-30
• 1.4 阴离子交换膜(AEM)存在的问题及其改性30-34
• 1.4.1 阴离子交换膜(AEM)降解机理31
• 1.4.2 阴离子交换膜(AEM)改性方法31-34
• 1.5 本论文的研究目的和主要内容34-35
• 2 实验材料与实验方法35-42
• 2.1 实验设备及实验原料35-37
• 2.1.1 实验设备35
• 2.1.2 原料与试剂35-36
• 2.1.3 试剂精制与原料纯化36-37
• 2.2 表征方法37-42
• 2.2.1 核磁共振分析37
• 2.2.2 红外谱图分析(FTIR)37
• 2.2.3 相对黏度37-38
• 2.2.4 离子交换容量(IEC)38
• 2.2.5 吸水率(WU)和尺寸变化(Size change)38-39
• 2.2.6 离子传导率(σ)39
• 2.2.7 机械性能39-40
• 2.2.8 溶解性40
• 2.2.9 高温水解稳定性40
• 2.2.10 耐碱稳定性40
• 2.2.11 甲醇吸收率(MU)40-42
• 3 BHPF-DABCO自交联季铵化聚芳醚砜类AEM的制备及性能42-53
• 3.1 引言42
• 3.2 实验部分42-43
• 3.2.1 无规聚合物的制备42-43
• 3.2.2 氯甲基化43
• 3.2.3 交联处理及膜的制备43
• 3.3 结果与讨论43-52
• 3.3.1 聚合物的合成及膜的制备43-45
• 3.3.2 聚合物与膜的核磁、红外表征45-46
• 3.3.3 溶解性46
• 3.3.4 吸水率、尺寸变化及IEC46-49
• 3.3.5 离子传导率49-50
• 3.3.6 水解稳定性和耐碱稳定性50-51
• 3.3.7 机械性能51
• 3.3.8 抗氧化稳定性51-52
• 3.4 本章小结52-53
• 4 探究不同结构交联剂对自交联季铵化聚醚砜类AEM的影响53-64
• 4.1 引言53
• 4.2 实验部分53-54
• 4.3 结果与讨论54-62
• 4.3.1 聚合物的合成及膜的制备54
• 4.3.2 聚合物与膜的核磁、红外表征54-55
• 4.3.3 溶解性55-56
• 4.3.4 吸水率、尺寸变化及IEC56-58
• 4.3.5 离子传导率58-59
• 4.3.6 水解稳定性及耐碱稳定性59-60
• 4.3.7 机械性能60-61
• 4.3.8 抗氧化稳定性61-62
• 4.3.9 甲醇吸收率62
• 4.4 本章小结62-64
• 5 探究主链的刚柔性对自交联季铵化聚醚砜类AEM的影响64-76
• 5.1 引言64
• 5.2 实验部分64-65
• 5.2.1 无规共聚物的合成64-65
• 5.2.2 氯甲基化65
• 5.2.3 交联处理及膜的制备65
• 5.3 结果与讨论65-74
• 5.3.1 聚合物的合成及膜的制备65-66
• 5.3.2 聚合物与膜的核磁、红外表征66-67
• 5.3.3 溶解性67-68
• 5.3.4 吸水率、尺寸变化及IEC68-70
• 5.3.5 离子传导率70-71
• 5.3.6 水解稳定性及耐碱稳定性71-72
• 5.3.7 机械性能72-73
• 5.3.8 抗氧化稳定性73-74
• 5.3.9 甲醇吸收率74
• 5.4 本章小结74-76
• 6 结论76-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-86
• 附录86

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;氯化聚醚阴离子交换膜的研制初报[J];海水淡化;1977年02期

2 ;聚三氟苯乙烯季胺盐型阴离子交换膜[J];有机化学;1978年01期

3 葛道才;;耐有机污染阴离子交换膜的制备方法[J];海水淡化;1978年02期

4 ;革除氯甲基化反应以制备阴离子交换膜的讨论[J];海水淡化;1980年02期

5 陈大福;邹世恩;薛亚军;张瑞华;杨有学;;硫酸根难透过性阴离子交换膜的研制[J];盐湖科技资料;1980年Z1期

6 王继生,刘承敏;小面积阴离子交换膜代替盐桥制备铕(Ⅱ)的研究[J];稀有金属;1983年06期

7 马敬骥,郝健,张吉平,吴瑞征;一种具有氟碳骨架的阴离子交换膜的制备[J];功能高分子学报;1992年01期

8 陈世洋;施周;谢德华;胡远来;;阴离子交换膜无电压下分离水中磷酸盐的研究[J];湖南大学学报(自然科学版);2012年05期

9 熊志臣;周良才;;应用阴离子交换膜从氯化亚铜中电解沉积铜的试验研究[J];水处理技术;1981年04期

10 撒应福,郑焕荣,曹海祥;均质阴离子交换膜在电解提纯金中的应用[J];贵金属;1998年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 周晋芳;樊志会;陈沛;安忠维;陈新兵;;基于侧链型聚芳醚砜的阴离子交换膜[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第08分会：高分子科学[C];2014年

2 倪贵智;赵孔双;吴永会;徐铜文;;有机-无机杂化阴离子交换膜的介电解析——直流偏压效果[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年

3 赵云;俞红梅;杨冬蕾;邵志刚;衣宝廉;;一种新型交联复合阴离子交换膜的制备和表征[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

4 蹇锡高;颜春;张华民;张守海;韩铁民;王锦艳;赵平;;季铵化聚醚砜酮阴离子交换膜材料的研制[A];2005中国储能电池与动力电池及其关键材料学术研讨会论文集[C];2005年

5 李伟;方军;吕明;;聚合性离子液体用于制备碱性燃料电池中阴离子交换膜[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年

6 赵飒;王超展;卫引茂;;SI-ATRP法制备叔胺基阴离子交换膜及其吸附性能研究[A];全国生物医药色谱及相关技术学术交流会（2012）会议手册[C];2012年

7 樊彩霞;李忠芳;王素文;于如军;;用于DMAFC的季铵化杂萘联苯聚醚砜阴离子交换膜的制备研究[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年

8 徐帅;张杨;马文佳;那辉;;新型侧链型阴离子交换膜的制备及性能研究[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年

9 张t

本文编号：499407