聚苯醚基高温质子交换膜的制备与表征

发布时间：2017-04-01 21:12

  本文关键词：聚苯醚基高温质子交换膜的制备与表征，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：燃料电池(Fuel Cell),是将燃料(氢气、碳氢化合物等)中的化学能直接转化为电能的电化学装置。其中,高温质子交换膜燃料电池由于燃料电池运行温度的提高,提高了铂基催化剂对一氧化碳(CO)的耐受性、同时提高电化学反应速率、降低对燃料纯度的要求和简化水热管理系统等优点,成为被世界范围内广泛研究的燃料电池之一。作为高温质子交换膜燃料电池核心部件的高温质子交换膜的开发和研究也备受重视。虽然以聚苯并咪唑(PBI)为代表的高温质子交换膜被认为是最有前途的膜材料,但由于其溶解性差、制备过程复杂、难以加工等缺点限制其商业化的应用。因此,高效、成本低、制作过程简单、易于加工、耐高温特别是无水环境下高质子传导率的新型高温质子交换膜的开发成为亟需解决的问题。本论文选用成本低,拥有优异热稳定性、电化学性能和结构简单易于加工改造的聚苯醚(PPO)作为高温质子交换膜的基体。通过对聚苯醚的改造得到掺杂磷酸的聚苯醚基高温质子交换膜,并对其进行表征和性能研究。具体研究内容如下：第一部分：咪唑化聚苯醚基高温质子交换膜的制备与性能研究通过聚苯醚的溴甲基化反应得到溴代聚苯醚(BPPO),然后将BPPO分别与1-甲基咪唑、1-乙基咪唑、1-丙基咪唑、1-丁基咪唑、1-乙烯基咪唑反应得到含有不同烷基咪唑基团的咪唑化聚苯醚(Im-PPO)。通过溶液浇铸法成膜并对膜的各项性能进行测试。随咪唑烷基侧链长度的增加,膜的性能存在差异。通过研究,引入1-甲基咪唑(1-Melm)的(Melm-PPO)高温质子交换膜性能最为优异,其中质子传导率达到37 mS/cm。第二部分：季胺化聚苯醚基高温质子交换膜的制备与性能研究通过聚苯醚的溴甲基化反应得到溴代聚苯醚(BPPO),将BPPO与三甲胺、三乙胺、三丙胺反应得到不同季胺化聚苯醚(QPPO)。通过溶液浇铸法制备高温质子交换膜,并对膜的性能进行表征和测试。得到引入三甲胺侧链的TriMe-PPO复合膜性能最好,质子传导率达到30mS/cm。第三部分：基于离子液体聚苯醚基高温质子交换膜的制备与性能研究首先制备不同磺化度的磺化聚苯醚(SPPO),并研究氯磺酸加入量与磺化度和离子交换容量的关系。然后制备离子液体1-甲基-3-甲基咪唑摀盐(1-methyl-3-methylimidazolium),与磺化聚苯醚(SPPO)通过自组装得到复合膜。对膜进行表征和性能测试。质子传到率最高达到26.4mS/cm。
【关键词】：高温质子交换膜 聚苯醚 咪唑摀盐 季胺化 磺化 离子液体 燃料电池
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4;TB383.2
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• abstract6-15
• 第一章 绪论15-31
• 1.1 引言15
• 1.2 燃料电池(Fuel Cell)15-17
• 1.2.1 燃料电池概述15
• 1.2.2 燃料电池的发展与应用15-17
• 1.3 质子交换膜燃料电池(PEMFC)17-19
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池(PEMFC)概述18
• 1.3.2 质子交换膜(PEM)概述18-19
• 1.3.3 质子交换膜(PEM)研究现状与问题19
• 1.4 高温质子交换膜(HTPEM)19-25
• 1.4.1 高温质子交换膜(HTPEM)概述20
• 1.4.2 聚醚醚酮膜(Poly ether-ether-ketone)20
• 1.4.3 有机无机复合模20-22
• 1.4.4 聚砜膜22
• 1.4.5 聚芳醚酮膜(QPAEKs)22
• 1.4.6 聚丙烯酰胺膜22-23
• 1.4.7 聚苯并咪唑膜23-24
• 1.4.8 离子液体复合膜24-25
• 1.4.9 聚苯醚膜25
• 1.5 聚苯醚(PPO)25-26
• 1.6 课题提出的依据、意义和论文研究内容26-28
• 1.6.1 课题提出的依据和意义26-28
• 1.6.2 本论文主要研究内容28
• 1.7 本论文的创新点28-31
• 第二章 含咪唑侧链聚苯醚基高温质子交换膜的制备与表征31-43
• 2.1 引言31-32
• 2.2 实验部分32-33
• 2.3 表征方式和测试方法33-34
• 2.4 结果和讨论34-42
• 2.4.1 ~1H NMR34-35
• 2.4.2 溶液浇铸法成膜35-36
• 2.4.3 SEM36-37
• 2.4.4 磷酸掺杂水平和体积溶胀比37-39
• 2.4.5 质子传导率39-40
• 2.4.6 机械性能40
• 2.4.7 氧化稳定性40-41
• 2.4.8 热重分析41-42
• 2.5 本章小结42-43
• 第三章 季胺化聚苯醚高温质子交换膜的制备43-53
• 3.1 引言43
• 3.2 实验药品以及仪器43-45
• 3.3 表征方式与方法45
• 3.4 季胺化聚苯醚(QPPO)膜的制备45-46
• 3.5 结果与讨论46-51
• 3.5.1 ~1H NMR46-48
• 3.5.2 采用溶液浇铸法成膜48
• 3.5.3 磷酸掺杂48-49
• 3.5.4 质子传导率49
• 3.5.5 机械性能49-50
• 3.5.6 热重分析50-51
• 3.6 本章小结51-53
• 第四章 基于离子液体高温质子交换膜的制备53-65
• 4.1 引言53-55
• 4.2 实验药品以及仪器55-57
• 4.2.1 实验药品以及仪器55-56
• 4.2.2 表征方法56-57
• 4.3 实验部分57-60
• 4.3.1 不同磺化度的磺化聚苯醚的制备(SPPO)57-58
• 4.3.2 离子液体(ILs)的制备58
• 4.3.3 SPPO/ILs/PA膜的制备58-60
• 4.4 结果与讨论60-64
• 4.4.1 加入氯磺酸对磺化度与离子交换容量的关系60
• 4.4.2 磺化聚苯醚(SPPO)与磺化聚苯醚/离子液体(SPPO/ILs)红外表征60-61
• 4.4.3 质子传导率61-62
• 4.4.4 热重分析(TGA)62-63
• 4.4.5 抗氧化稳定性63-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第五章 本论文结论65-67
• 参考文献67-74
• 致谢74-75
• 研究成果及已发表的论文75-76
• 导师及作者简介76-78
• 附件78-79

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