主链结构对咪唑化碱性膜性能的影响

发布时间：2019-09-21 21:12

【摘要】：碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)在碱性条件下电极反应动力学快,可以应用钴Co、Ni、Fe等非贵金属代替Pt作为催化剂,降低了电池的制造成本。AAEMFC的关键组件碱性阴离子交换膜(AAEM)主要存在着碱稳定性差、机械强度不足、离子电导率低等问题,不能满足AAEMFC的要求。针对上述问题,本论文设计合成了不同主链结构的聚芳醚砜,通过主链结构的电子效应与空间效应对离子基影响的研究,确定有利于咪唑离子基稳定的链结构。同时通过接枝的方法弱化主链结构对离子基不利的影响,从而改善膜的稳定性。根据以上思路,本论文的工作包括以下主要内容：(1)聚芳醚砜的合成、碱性膜制备及性能。为研究主链结构对离子基的影响,采用不同结构的双酚单体分别与4,4’-二氟二苯砜合成三种具有不同主链结构的聚芳醚砜。并通过氯甲基化、离子化、铸膜和碱化等步骤,成功制备了一系列咪唑摀盐型聚芳醚砜AAEM,包括咪唑离子化的双酚A聚砜(ImPSf-A-OH)膜、联苯聚砜(ImPSf-B-OH)膜、双酚AF聚砜(ImPSf-C-OH)膜。得到的碱性膜在极性非质子溶剂中具有较好的溶解性。膜的离子电导率随着温度的增加而增大,80℃下,ImPSf-A-OH、ImPSf-B-OH与ImPSf-C-OH膜的电导率分别为53.98 mS/cm、47.19 mS/cm以及42.46 mS/cm。室温下,3M的NaOH溶液中浸泡168 h后,离子电导率分别下降了17.6%、11.3%、7.14%。结合不同膜的热降解温度,证实了主链结构对离子稳定性产生影响推测。(2)接枝型双酚A聚砜碱性膜的制备及性能。为弱化主链结构对咪唑离子基的不利影响,利用氯甲基化的双酚A聚砜与3-氯-2-甲基-1-丙烯在无水无氧条件下,通过原子转移自由基聚合(ATRP)反应在主链与离子基之间接入长链段的聚氯甲基丙烯,成功的制备了一种咪唑摀盐型聚氯甲基丙烯接枝的双酚A聚砜膜(PSf-A-g-PMAC-OH).膜的IEC为1.75mmol/g,80℃下的溶胀度为40%,离子电导率高达64 mS/cm。根据TGA结果表明PSf-A-g-PMAC-OH膜具有良好的热稳定性,室温下3M的NaOH溶液中浸泡168 h后,电导率下降了15.4%。表明经ATRP接枝后,PSf-A-g-PMAC的抗溶胀能力提高,其离子电导率、热稳定性能、碱稳定性能均有所提高。本论文研究主链结构电子效应和空间效应对离子基的影响,改善碱性膜的性能。为高性能碱性膜的设计和研发提供新的思路、理论和途径,对于AAEMFC的发展具有理论与实践意义。
【图文】：

工作原理图

２Ｈ２＋Ｏ２－２Ｈ２Ｏ逦（１．３）逡逑由图１．２可以看出，通过碱性电解质膜的主要是０Ｈ＿，０Ｈ＿从阴极传过碱性电解质膜逡逑至阳极，电子通过外电路定向移动、做功，并构成电回路。通常，阳极和阴极上都含有逡逑一定量的催化剂（如，Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ等）来加速电极反应⑴。逡逑ＡＡＥＭＦＣ在碱性环境下运作，，与比质子交换膜燃料电池的酸性工作条件相比，这逡逑消除了电池内部的腐烛问题，而且碱性条件下具有更快的氧还原动力学，这种较快的反逡逑应动力学根本上摆脱了对Ｐｔ系催化剂的依赖，可以用一些Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ等非贵金属催化逡逑剂代替，降低电池的制造成本［Ｉ６．。逡逑－４－逡逑

大连理工大学专业学位硕士学位论文．３．２碱性阴离子膜的离子传导机制逡逑碱性阴离子交换膜（Ａｌｋａｌｉｎｅ邋Ａｎｉｏｎ邋Ｅｘｃｈａｎｇｅ邋Ｍｅｍｂｒａｎｅ，ＡＡＥＭ）中ＯＨ—的主传导机理见图１．３。从上图中可以看出，０Ｈ？的传导机制主要包括：Ｇｒｏｔｔｈｕｓｓ传导、迁移、跳跃或者对流传递ＡＡＥＭ中大多数的０Ｈ？都是以Ｇｒｏｔｔｈｕｓｓ机制进行［２２］；当膜内存在浓度差或者电位差时ｏｔｒ则会以扩散的形式进行传递；对流传递ＯＦＴ以结合水的形式穿过ＡＡＥＭ来进行传导，因此在膜内形成水分子的对流流动；ＡＥＭ为季铵功能化的膜时，则主要以表面跳跃的形式进行０日＿的传递。逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ317;TM911.4

【共引文献】