膜内离子传递特性强化途径研究

发布时间：2017-07-29 03:08

  本文关键词：膜内离子传递特性强化途径研究

  更多相关文章： 离子交换膜 传递特性 离子淌度 离子浓度 通道函数

【摘要】：燃料电池被誉为具有前途的新科技之一。离子交换膜是燃料电池的关键部件,其性能直接影响了燃料电池的诸如输出功率、开路电压等关键参数。本研究围绕离子交换膜的膜内离子传递行为与离子交换膜的化学结构、拓扑结构之间的构效关系,通过建立模型和理论推导,确定了从离子浓度、离子淌度以及膜内通道形貌三个途径强化膜内离子传递特性的研究方向,并分别从这三个途径提出了强化离子交换膜离子传导特性的方法,以期为面向应用过程质子交换膜材料的设计提供一定参考。主要研究内容及结论如下:1、提升离子淌度强化膜内离子传递:使用植酸作为磷酸基团供体、MIL101为载体制备了复合材料,对磷酸基团进行了固定化。该复合材料显示出低植酸流失率和高负载率(11.54 wt%)。将其与Nafion膜杂化,所制备杂化膜较Nafion膜在10.5%湿度下离子传导率性能提升11倍。失水时氢键网络断裂,离子淌度骤降是导致低湿度下离子传导率衰减的主要原因。磷酸在低湿度下可通过自解离而构建氢键网络。向膜内引入磷酸可有效地促进低湿度下膜内离子通过跳跃机理传递,维持离子淌度,从而强化膜内离子传递特性。2、提升离子浓度强化膜内离子传递:离子浓度与离子传导率呈正相关,提升离子浓度是一种简易而有效的提升离子传导率的途径。通过制备高改性度的咪唑摀盐化聚醚醚酮作为高分子基质,赋予离子交换膜达3.15-2.31 mmol g-1的高离子交换容量及1.89-1.80 mmol cm-3的高离子浓度,使离子交换膜具有高达76.38mS cm-1的离子传导率(80 oC)。此外,使用磺化聚醚醚酮作为离子交联剂,向膜内引入强离子相互作用,有效防止了高离子浓度带来的稳定性下降问题。所制备共混膜的机械性能、物理稳定性、热稳定性能和阻醇性能均有显著提升。3、优化通道函数强化膜内离子传递:通道是离子传递发生的场所与路径,通道的特性关系到膜内离子传递特性。使用具有笼状结构的MIL101晶体材料作为膜基质,通过负载咪唑摀盐赋予其离子传导能力。将其压制成膜,借助其规则的晶格结构,构建规则有序的离子传递通道,缩短离子传递路径、减小离子传递阻力,从而强化膜质子传递特性。所制备无机膜具有很高的通道函数值,较Nafion膜提升73%。该无机膜虽离子密度较低(0.63 mmol cm-3),离子传导率仍可达到0.126 mS cm-1(80 oC)。
【关键词】：离子交换膜 传递特性 离子淌度 离子浓度 通道函数
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ425.236;TM911.48
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 离子交换膜燃料电池的研究背景11-17
• 1.1.1 我国能源现状11-13
• 1.1.2 新能源的前景13-14
• 1.1.3 离子交换膜燃料电池14-17
• 1.2 离子交换膜17-21
• 1.2.1 离子交换膜简介17-18
• 1.2.2 离子交换膜的研究进展及仍面临的问题18-21
• 1.3 膜内离子传递的影响因素和强化思路21-31
• 1.3.1 膜内离子传递的产生及影响因素21-26
• 1.3.2 通过提升离子淌度强化膜内离子传递26-28
• 1.3.3 通过提升离子浓度强化膜内离子传递28-29
• 1.3.4 通过优化通道函数强化膜内离子传递29-31
• 1.4 论文选题与主要研究思路31-33
• 第二章 通用实验部分33-45
• 2.1 试剂与设备33-35
• 2.1.1 原料试剂33-34
• 2.1.2 实验室仪器设备34-35
• 2.2 材料表征35-38
• 2.2.1 场发射扫描电镜（FESEM）与高分辨率射透射扫描电镜（HRTEM）35
• 2.2.2 能量弥散X射线能谱（EDS）35-36
• 2.2.3 X射线衍射（XRD）36
• 2.2.4 X射线光电子能谱 (XPS)36
• 2.2.5 电感耦合等离子体光谱（ICP）36
• 2.2.6 傅里叶变换红外光谱（FTIR）36-37
• 2.2.7 ~1H核磁共振（~1H NMR）37
• 2.2.8 BET比表面积37
• 2.2.9 热重分析（TGA）37-38
• 2.3 离子交换膜的表征38-45
• 2.3.1 场发射扫描电镜（FESEM）38
• 2.3.2 傅里叶变换红外光谱（FTIR）38
• 2.3.3 X射线光电子能谱 (XPS)38
• 2.3.4 热重分析（TGA）38
• 2.3.5 差示扫描量热（DSC）38-39
• 2.3.6 吸水率和溶胀度39
• 2.3.7 离子交换容量（IEC）39-40
• 2.3.8 甲醇渗透率测试40-41
• 2.3.9 质子传导率41-43
• 2.3.10 离子浓度43
• 2.3.11 表观离子淌度43-45
• 第三章 通过提升离子淌度强化膜内离子传递特性45-63
• 3.1 引言45-48
• 3.2 实验部分48-50
• 3.2.1 金属有机框架材料MIL101的合成与纯化48
• 3.2.2 植酸的注入48-49
• 3.2.3 phytic@MIL/Nafion杂化膜的制备49-50
• 3.2.4 植酸的动态流失速率50
• 3.3 表征与结果50-61
• 3.3.1 MIL101的成功合成与后处理50-52
• 3.3.2 phytic@MIL中植酸的注入52-53
• 3.3.3 phytic@MIL中植酸的分布53-54
• 3.3.4 phytic@MIL中植酸的流失54-55
• 3.3.5 phytic@MIL的热稳定性能55-56
• 3.3.6 杂化膜的结构56
• 3.3.7 phytic@MIL与杂化膜的相互作用56-57
• 3.3.8 杂化膜的机械性能57-58
• 3.3.9 杂化膜的热稳定性能58-59
• 3.3.10 杂化膜的吸水与溶胀59-60
• 3.3.11 杂化膜的离子传导率60-61
• 3.4 小结61-63
• 第四章 通过提升离子密度强化膜内离子传递特性63-80
• 4.1 引言63-65
• 4.2 实验部分65-68
• 4.2.1 磺化聚醚醚酮的合成65-66
• 4.2.2 聚醚醚酮的氯甲基化66
• 4.2.3 共混膜的制备66-67
• 4.2.4 膜的溶解性67-68
• 4.2.5 膜碱稳定性的表征68
• 4.3 表征与结果68-78
• 4.3.1 氢核磁共振谱68-69
• 4.3.2 膜的形貌69-70
• 4.3.3 磺化聚醚醚酮与咪唑聚醚醚酮间的相互作用70-71
• 4.3.4 膜的物理稳定性71-73
• 4.3.5 膜的热稳定性73-75
• 4.3.6 膜的碱稳定性75
• 4.3.7 膜的IEC和离子传导75-77
• 4.3.8 膜的离子浓度和离子淌度77-78
• 4.3.9 膜的甲醇渗透78
• 4.4 小结78-80
• 第五章 通过优化通道函数强化膜内离子传递特性80-95
• 5.1 引言80-81
• 5.2 实验部分81-83
• 5.2.1 金属有机框架材料MIL101的合成与纯化81
• 5.2.2“瓶中船”法固定咪唑摀盐基团81-83
• 5.2.3 咪唑摀盐的流失83
• 5.2.4 SBMIL无机膜的压制83
• 5.3 表征与结果83-94
• 5.3.1 rawMIL，pureMIL，，SBMIL的形貌83-84
• 5.3.2 咪唑摀盐的成功注入与分布情况84-86
• 5.3.3 无机膜的形貌86-87
• 5.3.4 无机膜的吸水、失水、溶胀和机械性能87-88
• 5.3.5 咪唑摀盐电解液的流失88-90
• 5.3.6 无机膜的热稳定性能90-91
• 5.3.7 无机膜的离子传导率及膜内离子传递行为91-93
• 5.3.8 无机膜的甲醇渗透93-94
• 5.4 小结94-95
• 第六章 通过MIL材料在有机膜中构建离子传递通道95-105
• 6.1 引言95-96
• 6.2 实验部分96-97
• 6.2.1 金属有机框架材料MIL101的合成与纯化96
• 6.2.2 金属有机框架材料MIL101的磺化96
• 6.2.3 聚醚醚酮的磺化96
• 6.2.4 SPEEK/sul-MIL杂化膜的制备96-97
• 6.3 表征与结果97-103
• 6.3.1 MIL101的形貌97
• 6.3.2 MIL101的成功合成与磺化97-98
• 6.3.3 sul-MIL的热稳定性能98-99
• 6.3.4 杂化膜的形貌99-100
• 6.3.5 杂化膜的热稳定性能100
• 6.3.6 sul-MIL与高分子的相互作用100-101
• 6.3.7 杂化膜的吸水与溶胀101-102
• 6.3.8 杂化膜的甲醇渗透102-103
• 6.3.9 杂化膜的离子传导率103
• 6.4 小结103-105
• 第七章 结论与展望105-108
• 7.1 结论105-106
• 7.2 主要创新点106
• 7.3 展望106-108
• 参考文献108-123
• 发表论文和科研情况说明123-127
• 致谢127-128

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 宋月红,金杨,韩树亮;形状非一致网点的实现及传递特性研究[J];北京印刷学院学报;2004年04期

2 王世强;金杨;史瑞芝;宋月红;;形状渐变型网点的设计与传递特性测试[J];印刷技术;2007年16期

3 王晶,刘美莲,冯涛;消声器传递特性的有限元计算方法[J];北京工商大学学报(自然科学版);2005年04期

4 张绍英;高t熻

本文编号：587189