纳米纤维改性Nafion复合质子交换膜的制备与性能

发布时间：2017-03-17 18:00

  本文关键词：纳米纤维改性Nafion复合质子交换膜的制备与性能，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以将化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有功率密度高、启动快、环境友好等优点,是未来社会发展急需的绿色技术。质子交换膜(PEM)是PEMFC的核心部件,起着传导H+和隔绝燃料等作用,其性能的优劣决定着PEMFC性能的高低。目前广泛应用的全氟磺酸质子交换膜因性能和成本等原因大大限制了广泛应用及PEMFC的发展,因此高性能质子交换膜的开发已成为相关研究热点。近年来,利用纳米材料的特性强化质子传递过程,增强膜的机械性能构建高性能质子交换膜的方法引起了研究者广泛的兴趣。本论文以Nafion膜为基础,通过引入纳米纤维构建一维质子传递长通道的方式建立了高性能PEM的制备新方法。主要研究内容如下：采用本实验室自有的专利技术——溶液喷射纺丝技术纺制了SPES/PES纳米纤维并通过溶液浸渍法,制备了纳米纤维/Nafion (NF/Nafion)复合质子交换膜。所制备SPES/PES纳米纤维形态良好,平均直径主要分布在300-450nm。复合膜具有良好的热稳定性、吸水率和电导率。纳米纤维的存在大大提高了复合膜的质子传导性能,80℃下NF/Nafion-20复合膜电导率为0.145 S/cm。纤维含量增大复合膜吸水率也增大但复合膜尺寸稳定性提高,这是由于纳米纤维在复合膜中起到骨架作用,限制了膜的溶胀。纳米纤维复合膜较Nafion 117具有更好的选择性,NF/Nafion-20复合膜的选择性最好,选择性值为9.6×104Sscm-3。基于SiO2等无机材料具有优异的保水性能及热稳定性等特点,论文通过溶液喷射纺丝技术纺制备了SPES/SiO2杂化纳米纤维,进而制备了SPES/SiO2/Nafion复合膜。实验结果表明,复合膜的热稳定性、吸水率和尺寸稳定性均得以改善。SPES/SiO2/Nafion-15复合膜在80℃下,质子电导率可以达到0.154 S/cm。SiO2的存在一定程度上提高了复合膜的阻醇性,所得复合膜的甲醇渗透率都低于Nafion膜和SPES/PES/Nafion复合膜,SPES/SiO2/Nafion-25复合膜甲醇透过系数达到6.3×10-cm2/s。蛋白质在生物体内的质子传输过程中扮演着重要角色,受此启发,利用静电纺丝的方法制备了SiO2无机纳米纤维,并通过羧基化及氨基酸固载处理将赖氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、丝氨酸固载到SiO2纳米纤维表面。以期通过在纤维表面引入氨基酸分子链的方式,增加复合膜内部H+的传输位点,提高复合膜的质子传导率。研究结果表明氨基酸分子链长短对复合膜吸水率、溶胀率、质子传导率无影响,但可以影响纳米纤维直径的大小。氨基酸分子链极性基团的数目及极性大小对复合膜性能有较大影响,极性基团越多及基团极性越强则导致复合膜吸水能力和质子传到能力提高。吸水率由大到小为Nafion-Cys Nafion-SerNafion-LysNafion-GlyNafion。吸水率的大小影响了溶胀率所以溶胀率由大到小为NafionNafion-Cys Nafion-SerNafion-LysNafion-Glyo由于氨基酸中质子传输位点的不同,电导率由大到小为Nafion-Cys Nafion-SerNafion-LysNafion-GlyNafion。
【关键词】：质子交换膜 纳米纤维 溶液喷射纺丝 静电纺丝 磺化聚醚砜 SiO_2 氨基酸
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 燃料电池概述12-14
• 1.1.1 燃料电池分类及特点12-13
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池组成及工作原理13-14
• 1.2 质子交换膜研究进展14-21
• 1.2.1 全氟磺酸质子交换膜15-16
• 1.2.2 非全氟质子交换膜16-17
• 1.2.3 无氟质子交换膜17-18
• 1.2.4 纳米纤维复合质子交换膜18-21
• 1.3 纳米纤维制备方法研究进展21-23
• 1.3.1 静电纺丝技术21-22
• 1.3.2 高速离心纺丝技术22
• 1.3.3 溶液喷射纺丝技术22-23
• 1.4 本论文研究内容及意义23-26
• 第二章 SPES/PES纳米纤维改性Nafion复合质子交换膜的制备与性能26-42
• 2.1 引言26
• 2.2 实验部分26-32
• 2.2.1 实验试剂与仪器26-27
• 2.2.2 SPES的制备27-28
• 2.2.3 SPES/PES纳米纤维的制备28
• 2.2.4 NF/Nafion纳米纤维复合质子交换膜的制备28-29
• 2.2.5 性能表征29-32
• 2.3 测试结果与讨论32-40
• 2.3.1 纳米纤维及复合膜微观形貌分析32-34
• 2.3.3 复合膜的XRD分析34-35
• 2.3.4 复合膜的热稳定性分析35-36
• 2.3.5 复合膜的吸水性和溶胀率测试分析36-38
• 2.3.6 复合膜的质子传导率性能分析38-39
• 2.3.7 复合膜的甲醇渗透性及选择性分析39-40
• 2.4 本章小结40-42
• 第三章 SPES/SiO_2杂化纳米纤维改性Nafion复合质子交换膜的制备与性能42-54
• 3.1 引言42
• 3.2 实验部分42-45
• 3.2.1 实验试剂与仪器42-43
• 3.2.2 SPES的制备43
• 3.2.3 SiO_2溶胶的制备43
• 3.2.4 SPES/SiO_2纳米纤维的制备43
• 3.2.5 SPES/SiO_2/Nafion复合质子交换膜的制备43-44
• 3.2.6 性能表征44-45
• 3.3 测试结果与讨论45-52
• 3.3.1 纤维及复合膜的微观形貌分析45-46
• 3.3.2 SPES/SiO_2/Nafion复合膜的热稳定性分析46-47
• 3.3.3 SPES/SiO_2/Nafion复合膜的吸水性和溶胀率性能分析47-49
• 3.3.4 SPES/SiO_2/Nafion复合膜的质子传导性能49-50
• 3.3.5 SPES/SiO_2/Nafion复合膜的甲醇透过性及选择性分析50-51
• 3.3.6 机械性能测试51-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 氨基酸固载SiO_2纳米纤维改性Nafion复合质子交换膜的制备与性能54-66
• 4.1 引言54-55
• 4.2 实验部分55-59
• 4.2.1 实验试剂与仪器55-56
• 4.2.3 SiO_2溶胶的制备56
• 4.2.4 SiO_2纳米纤维的制备56
• 4.2.5 羧基改性SiO_2纳米纤维的制备56-57
• 4.2.6 SiO_2纳米纤维的氨基酸固载57-58
• 4.2.7 仿生复合质子交换膜的制备58
• 4.2.8 性能表征58-59
• 4.3 测试结果与讨论59-65
• 4.3.1 纤维及复合膜的微观形貌分析59-61
• 4.3.2 X射线光电子能谱(XPS)分析61-62
• 4.3.3 SPES/SiO_2/Nafion复合膜的热稳定性分析62
• 4.3.4 复合膜的吸水性和溶胀率性能分析62-64
• 4.3.5 SPES/SiO_2/Nafion复合膜的质子传导性能64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 结论与展望66-68
• 5.1 结论66-67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-76
• 硕士期间主要科研成果76-78
• 致谢78

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