基于乌尔曼碳氮偶联反应的侧链型聚芳醚酮类质子交换膜的制备及性能研究

发布时间：2017-10-06 03:17

  本文关键词：基于乌尔曼碳氮偶联反应的侧链型聚芳醚酮类质子交换膜的制备及性能研究

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【摘要】：在化石能源日益紧张的今天,寻找可代替化石能源的清洁能源已经成为迫在眉睫的事情。质子交换膜燃料电池,以其能量转化率高,低温启动速度快,排放物无害等众多优点,成为了可代替化石能源的清洁能源中最有潜力的竞争者之一。质子交换膜燃料电池中最为核心的部件就是质子交换膜。以Nafion为代表的全氟磺酸型质子膜是现在商品化程度最高的质子膜,其化学结构稳定,机械性能好同时拥有较高的质子传导率。但是因为这类膜材料在高温低湿条件下质子传导率较低,甲醇渗透率高同时成本较贵,限制了其应用范围,也同时限制了整个质子交换膜燃料电池这个电池种类的发展。所以,如何研究出一种低成本高性能的质子膜成为众多科研工作者的工作重心。磺化聚芳醚类聚合物以其稳定的化学结构、优秀的热稳定性和出色的机械性能,在质子交换膜的制备方面有很大的优势。为了获得更高的质子传导率,必须提升磺化聚合物的离子交换容量,可是这样势必也提高了材料的溶胀率,为了获得性能平衡的质子膜材料,本文通过分子设计,乌尔曼反应接枝等方法,制备了一系列含有侧链结构的质子交换膜,并对其性能进行了较为详细的测试。本文基于乌尔曼碳氮偶联反应制备了一系列磺化聚芳醚酮的质子交换膜。为了达到这一目的,制备了4-碘苯基氢醌,并以其为单体制备了可发生乌尔曼偶联反应的含碘的聚芳醚酮聚合物。同时制备了3,6-二苯基-9H-咔唑与3,6-二三苯基甲烷-9H-咔唑两种接枝单体,并通过乌尔曼碳氮偶联反应对聚合物成功进行接枝。然后对该接枝聚合物用氯磺酸进行磺化,通过浇筑的方式得到一系列膜。并对些膜材料进行了吸水溶胀、热稳定性、质子传导率、机械性能、氧化稳定性和微观形态学的研究,探求了其作为质子交换膜材料的可能性。
【关键词】：乌尔曼碳氮偶联 聚芳醚酮 质子交换膜 微观相分离
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-35
• 1.1 中国当代社会生活中的能源问题12
• 1.2 燃料电池在我国的发展历史和现状12-14
• 1.3 燃料电池简介14-20
• 1.3.1 燃料的电池的工作原理14-16
• 1.3.2 燃料电池的优势16
• 1.3.3 燃料电池的劣势16-17
• 1.3.4 燃料电池的种类17-18
• 1.3.5 燃料电池的应用18-20
• 1.4 质子交换膜燃料电池20-21
• 1.4.1 质子交换膜燃料电池简介20
• 1.4.2 质子交换膜燃料电池的电极反应20-21
• 1.5 质子交换膜21-33
• 1.5.1 质子交换膜的简介21-22
• 1.5.2 不同化学结构的质子交换膜的简介22-33
• 1.5.2.1 全氟磺酸膜22-23
• 1.5.2.2 磺化聚芳香类膜23-32
• 1.5.2.3 复合材料型质子交换膜32-33
• 1.6 本论文的设计思想33-35
• 第二章 含碘聚芳醚酮聚合物的制备和表征35-45
• 2.1 引言35-36
• 2.2 实验药品及试剂36
• 2.3 实验仪器及表征方法36-38
• 2.3.1 红外吸收光谱(FT-IR)36-37
• 2.3.2 粘度37
• 2.3.3 凝胶渗透色谱37
• 2.3.4 核磁共振37-38
• 2.3.5 热性能38
• 2.4 单体的合成和表征38-40
• 2.4.1 单体的合成38-39
• 2.4.2 4-碘苯基氢醌的表征39-40
• 2.5 含碘聚合物的合成和表征40-44
• 2.5.1 含碘聚合物的合成40-41
• 2.5.2 含碘聚合物的表征与讨论41-42
• 2.5.2.1 含碘聚合物的红外可见光谱41-42
• 2.5.2.2 含碘聚合物的核磁42
• 2.5.3 含碘聚合物的性质42-44
• 2.5.3.1 含碘聚合物的溶解性42-43
• 2.5.3.2 含碘聚合物的粘度43
• 2.5.3.3 含碘聚合物的热性能43-44
• 2.6 本章小结44-45
• 第三章 含有3,6-二苯基-9H-咔唑结构的磺化聚合物的制备和性质研究45-62
• 3.1 引言45-46
• 3.2 实验所用的药品和试剂46
• 3.3 实验仪器及测试方法46-50
• 3.3.1 离子交换容量46-47
• 3.3.2 吸水率和溶胀率47-48
• 3.3.3 水合数(体积吸水率)48
• 3.3.4 耐氧化稳定性48-49
• 3.3.5 机械性能49
• 3.3.6 质子传导率49-50
• 3.4 3,6-二苯基-9H-咔唑单体的合成和表征50-52
• 3.4.1 3,6-二苯基-9H-咔唑单体的合成50-51
• 3.4.2 3,6-二苯基-9H-咔唑单体的表征51-52
• 3.5 含有3,6-二苯基-9H-咔唑结构的聚合物(PAEK-DPCz-x)及其后磺化聚合物(SPAEK-DPCz-x)的合成和表征52-61
• 3.5.1 聚合物PAEK-DPCz-x的合成52-53
• 3.5.2 聚合物的磺化53-54
• 3.5.3 磺化聚合物膜的制备和质子化54
• 3.5.4 磺化前聚合物与磺化后聚合物的结构表征与讨论54-57
• 3.5.5 磺化聚合物膜SPAEK-DPCz-x的性能测试57-61
• 3.5.5.1 SPAEK-DPCz-x的热稳定性57
• 3.5.5.2 SPAEK-DPCz-x膜材料的吸水率和溶胀率57-60
• 3.5.5.3 SPAEK-DPCz-x的质子传导率60
• 3.5.5.4 SPAEK-DPCz-x膜的机械性能60-61
• 3.5.5.5 SPAEK-DPCz-x膜的耐氧化稳定性61
• 3.6 本章小结61-62
• 第四章 含有3,6-二三苯基甲烷-9H-咔唑结构的磺化聚合物的制备和性质研究62-81
• 4.0 引言62-63
• 4.1 实验所用的药品和试剂63
• 4.2 测试方法63-65
• 4.2.1 体积离子交换容量63-64
• 4.2.2 有效迁移系数64
• 4.2.3 小角X射线散射64-65
• 4.3 3,6-二三苯基甲烷-9H-咔唑单体的合成和表征65-66
• 4.3.1 3,6-二三苯基甲烷-9H咔唑单体的合成65
• 4.3.2 3,6-二三苯基甲烷-9H-咔唑单体的表征65-66
• 4.4 含有3,6-二三苯基甲烷-9H-咔唑结构的聚合物及其后磺化聚合物的合成和表征66-80
• 4.4.1 含有3,6-二三苯基甲烷-9H-咔唑结构的聚合物的合成及表征66-70
• 4.4.1.1 含有3,6-二三苯基甲烷-9H-咔唑结构的聚合物(PAEK-Cz-x)的合成66-67
• 4.4.1.2 PAEK-Cz-x的表征67-70
• 4.4.2 聚合物的磺化70
• 4.4.3 磺化聚合物膜的制备和质子化70-71
• 4.4.4 磺化聚合物的结构表征与讨论71-73
• 4.4.5 磺化聚合物膜的性能测试73-80
• 4.4.5.1 磺化聚合物膜的热稳定性73
• 4.4.5.2 磺化聚合物的吸水率和溶胀率73-76
• 4.4.5.3 磺化聚合物的离子交换容量76
• 4.4.5.4 磺化聚合物的质子传导率76-78
• 4.4.5.5 膜的机械性能78-79
• 4.4.5.6 膜的耐氧化稳定性79
• 4.4.5.7 膜的微观形态79-80
• 4.5 本章小结80-81
• 第五章 结论81-82
• 参考文献82-88
• 作者简介88-89
• 攻读硕士期间发表论文89-90
• 致谢90-91

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