N-芳基聚醚吲哚质子交换膜的制备与性能研究

发布时间：2017-03-31 14:07

  本文关键词：N-芳基聚醚吲哚质子交换膜的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：质子交换膜燃料电池是一种将化学能转化为电能的能量转换装置。目前商业化的Nafion膜存在价格较高及甲醇渗透严重等问题,严重制约了其在工程应用等领域的发展。这激发了人们去研究新型的质子交换膜材料。其中一个大家所认可的并且潜力巨大的替代产品是芳香型质子交换膜材料。然而,目前芳香型质子交换膜的研究所面临的一个主要问题是质子传导率与吸水膨胀及燃料渗透之间的平衡问题。提高质子传导率往往需要聚合物具有较高的磺化度,就难免会导致质子交换膜吸水量剧增,溶胀严重。这对于其组装与工作过程中的尺寸稳定性、燃料的隔离及机械性能等都会产生不利的影响。因此,如何制备兼具较高的质子传导率并且尺寸稳定、燃料渗透率低的新型质子交换膜仍是燃料电池的核心研究方向。为了获得质子传导率高、抗溶胀性能优异的新型质子交换膜材料,本研究拟把吲哚基团引入到聚合物链中,以期通过吲哚与H+之间的阳离子-π相互作用的可控构建与解除实现类似磺酸基团的质子传输作用,以实现辅助质子传导的作用。另外,我们希望该阳离子-π相互作用能够增强质子交换膜分子链间相互作用,从而进一步提高目标质子交换膜抗溶胀性能。基于此,本研究首先以C-N/C-O偶联的方式,通过亲核取代共缩聚的方法成功制备了一系列不同磺化度的的N-芳基聚醚吲哚(SPEIN-x)。通过红外、核磁等方法对目标聚合物进行了结构表征,表征结果与目标产物吻合良好。采用浇铸的方法对SPEIN-x进行成膜并酸化,得到酸形式的质子交换膜材料。测试结果表明SPEIN-x质子交换膜具有优异的质子传导率,其中SPEIN-50在80 o C条件下可达0.1286 S/cm,高于Nafion117。另外,SPEIN-x表现出优异的抗溶胀性能,在100 o C高温条件下,吸水膨胀率仍低于42%,为高温下质子交换膜尺寸稳定性提供了保障。良好的尺寸稳定性赋予了SPEIN-x较低的甲醇渗透率,仅为Nafion 117膜的1/35-1/12,并且薄膜表现出了优秀的机械性能,拉伸强度高于53 MPa,可以满足质子交换膜的长时间应用需求。众所周知,相分离可进一步提高质子交换膜的质子传导率和抗溶胀性能,由此本研究成功制备了一系列亲水段含有吲哚基团的嵌段型质子交换膜,以期获得综合性能优异的嵌段型N-芳基聚醚吲哚质子交换膜。通过测试表明,嵌段型N-芳基聚醚吲哚质子交换膜具有更高的质子传导率,更好的尺寸稳定性。其中,X20Y20在80 o C的质子传导率可达0.1406 S/cm,是Nafion 117的1.4倍。另外,在保持优异力学强度和抗甲醇渗透性能的同时吸水膨胀率低于22%。总之,吲哚基团的引入使得目标质子交换膜具有优异的质子传导率和抗溶胀性能,N-芳基聚醚吲哚类质子交换膜材料可作为高效燃料电池极佳的选择。
【关键词】：质子交换膜 吲哚 质子传输 抗溶胀
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-27
• 1.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）11-14
• 1.1.1 PEMFC的工作原理12-13
• 1.1.2 PEMFC对质子交换膜的要求13-14
• 1.1.3 直接甲醇燃料电池（DMFC）14
• 1.2 质子交换膜的分类14-18
• 1.2.1 全氟磺酸型质子交换膜材料14-16
• 1.2.2 部分氟化的质子交换膜16
• 1.2.3 芳香族类质子交换膜16-18
• 1.3 芳香族类质子交换膜的研究进展18-25
• 1.3.1 提高质子交换膜的质子传导率18-24
• 1.3.2 提高稳定性降低甲醇渗透24-25
• 1.4 C-N/C-O偶联构筑吲哚聚合物25
• 1.5 本论文的研究目的及设计思路25-27
• 2 药品和测试27-34
• 2.1 仪器和原料27-28
• 2.1.1 实验仪器27
• 2.1.2 实验主要原料和试剂27-28
• 2.2 表征方法和测试手段28-32
• 2.2.1 核磁氢谱28
• 2.2.2 红外光谱28
• 2.2.3 分子量及分子量分布28
• 2.2.4 离子交换容量28-29
• 2.2.5 膜的吸水率和膨胀率29
• 2.2.6 质子传导率29-30
• 2.2.7 甲醇渗透率30-31
• 2.2.8 膜的微观形貌分析31-32
• 2.2.9 热重分析32
• 2.2.10 膜的机械性能32
• 2.3 Nafion117质子交换膜的性能参数32-34
• 3 磺化N-芳基聚醚吲哚质子交换膜的制备与性能研究34-54
• 3.1 引言34
• 3.2 对于吲哚辅助质子传递作用的探索34-36
• 3.3 磺化N-芳基聚醚吲哚质子交换膜的制备36-43
• 3.3.1 磺化二氟二苯甲酮单体的合成与表征36-39
• 3.3.2 聚合物的合成与表征39-42
• 3.3.3 膜的制备42-43
• 3.4 磺化N-芳基聚醚吲哚质子交换膜的性能研究43-52
• 3.4.1 磺化度和离子交换容量43-45
• 3.4.2 吸水率与膨胀率45-47
• 3.4.3 质子传导率47-50
• 3.4.4 甲醇渗透率50-51
• 3.4.5 热重分析51-52
• 3.4.6 机械性能52
• 3.5 本章小结52-54
• 4 嵌段型磺化N-芳基聚醚吲哚质子交换膜的制备与性能研究54-66
• 4.1 引言54-55
• 4.2 嵌段型磺化N-芳基聚醚吲哚质子交换膜的制备55-58
• 4.2.1 聚合物的合成与表征55-57
• 4.2.2 膜的制备57-58
• 4.3 嵌段型磺化N-芳基聚醚吲哚质子交换膜的性能研究58-65
• 4.3.1 磺化度与离子交换容量58-59
• 4.3.2 吸水率和膨胀率59-61
• 4.3.3 质子传导率61-62
• 4.3.4 甲醇渗透率62-63
• 4.3.5 热重分析63-64
• 4.3.6 机械性能64
• 4.3.7 微观形貌64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 结论66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-75
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果75

  本文关键词：N-芳基聚醚吲哚质子交换膜的制备与性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：279697