新型交联质子交换膜的制备与性能研究

发布时间：2017-04-08 07:05

  本文关键词：新型交联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(PEMFC)可以有效地将化学能转化为电能的电化学装置,并且因为燃料的利用效率高,启动速度快以及无污染等优点被评选为替代能源行业的领先候选人。而其中被称作为PEMFC的“心脏”的质子交换膜(PEM)的性能直接决定着PEMFC的应用。现如今广市场上广泛使用的是DuPont公司的Nafion膜,此类膜具有优异的质子传导率以及良好的化学稳定性,但令人遗憾的的是其制作成本的昂贵,甲醇渗透严重以及在高温条件下质子传导率明显下降。因此,众多科研工作者的眼光就投注在开发一种综合性能优异的PEM材料上。其中磺化聚芳醚酮砜类膜材料被列为最有前途的新型膜材料之一,由于其优良的机械性能和热稳定性,以及与Nafion膜相比低廉的成本。但是此类膜受到磺化度的影响较大,当磺化度较高时溶胀率将会提高而降低机械性能进而影响PEMFC的使用寿命。因此,需要对这类膜材料进行改性从而得到综合性能均佳的材料。本文首先利用亲和缩聚反应制备了含氨基和羧基的磺化聚芳醚酮砜(Am-C-SPAEKS)交联膜,将羧基和氨基引入到了同一分子链上,TEM照片显示交联膜形成了连续的质子传输通道,提高了膜的质子传导率,并且通过官能团之间的交联作用来降低膜的甲醇渗透系数。通过测试发现该膜显示出良好的机械性能以及尺寸稳定性。Am-C-SPAEKS-30膜的质子传导率为0.088 S cm-1,这与相同条件下Nafion膜的质子传导率类似。而在25°C下Am-C-SPAEKS-30膜的甲醇渗透系数仅为1.56×10-7 cm2 s-1,这要比Nafion?117膜低了一个数量级。为了弥补膜在中高温条件下的质子传导率以及阻醇能力的降低,我们利用溶胶-凝胶的方法将二氧化硅引入到了含羧基磺化聚芳醚酮砜(C-SPAEKS)中。通过交联剂的引入就像一个“桥梁”连接了主链C-SPAEKS相和SiO_2相,制备出了C-SPAEKS/K-SiO_2交联杂化膜。通过测试发现该膜具有优秀的热稳定性以及质子传导率。在120°C下C-SPAEKS/K-SiO_2-8的质子传导率为0.110 S cm-1,这要比相同条件下Nafion?的0.028 S cm-1高很多。而在25°C下C-SPAEKS/K-SiO_2-8的甲醇渗透系数为3.86×10-7 cm2 s-1,明显低于Nafion?117膜的29.4′10-7 cm2 s-1。
【关键词】：交联 羧基 SiO_2 PEM 燃料电池
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2;TM911.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-22
• 1.1 引言9
• 1.2 燃料电池的概况9-12
• 1.2.1 燃料电池的组成及工作原理9-11
• 1.2.2 燃料电池的分类11-12
• 1.3 质子交换膜燃料电池12-13
• 1.3.1 氢氧质子交换膜燃料电池12
• 1.3.2 直接甲醇燃料电池(DMFC)12-13
• 1.4 质子交换膜13-18
• 1.4.1 全氟磺酸型质子交换膜13-15
• 1.4.2 非氟磺酸型质子交换膜15-18
• 1.5 质子交换膜改性方法18-20
• 1.5.1 酸碱复合18
• 1.5.2 交联改性18-19
• 1.5.3 有机-无机复合19-20
• 1.6 质子传输机理20
• 1.7 本文设计思想20-22
• 第二章 实验部分22-26
• 2.1 实验原料与试剂22
• 2.2 实验仪器22-24
• 2.2.1 红外光谱(FT-IR)22-23
• 2.2.2 核磁共振(1H-NMR)23
• 2.2.3 热失重分析仪(TGA)23
• 2.2.4 透射电子显微镜(TEM)23
• 2.2.5 扫描电子显微镜(SEM)23
• 2.2.6 X射线小角衍射(SAXS)23
• 2.2.7 机械性能23
• 2.2.8 交流阻抗能谱23-24
• 2.2.9 气象色谱24
• 2.3 膜的性能表征24-26
• 2.3.1 吸水率和溶胀率24
• 2.3.2 膜的脱附系数24
• 2.3.3 离子交换容量（IEC）24-25
• 2.3.4 膜的氧化稳定性25-26
• 第三章 在同一分子链上引入交联结构的交联膜的制备与性能研究26-41
• 3.1 引言26
• 3.2 4-酯基苯基对苯二酚单体的制备（4E-PH）26
• 3.3 含氨基和酯基的磺化聚芳醚酮砜聚合物（AM-E-SPAEKS）的制备26-27
• 3.4 含氨基和羧基的磺化聚芳醚酮砜聚合物（AM-C-SPAEKS）的制备27-29
• 3.5 交联膜的制备29
• 3.6 膜的结构表征29-31
• 3.7 膜的热稳定性31-32
• 3.8 膜的IEC、吸水率和溶胀率32-34
• 3.9 膜的保水能力34-35
• 3.10 机械性能和氧化稳定性35-36
• 3.11 膜的微观形态36-38
• 3.12 膜的质子传导率38-40
• 3.13 膜的甲醇渗透系数40
• 3.14 本章小结40-41
• 第四章 中高温下有机-无机交联杂化膜的制备与性能研究41-54
• 4.1 引言41
• 4.2 C-SPAEKS聚合物的制备41
• 4.3 C-SPAEKS/K-SiO_2交联杂化膜和C-SPAEKS/SiO_2杂化膜的制备41-44
• 4.4 膜的结构表征44-45
• 4.5 膜的热稳定性45
• 4.6 吸水率、溶胀率和保水能力45-47
• 4.7 微观形态47-50
• 4.8 机械性能50-51
• 4.9 氧化稳定性51
• 4.10 质子传导率51-52
• 4.11 甲醇渗透系数52-53
• 4.12 本章小结53-54
• 第五章 结论54-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-63
• 作者简介63
• 攻读硕士学位期间研究成果63

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