支化聚苯并咪唑高温质子交换膜材料的设计、制备与性能优化
发布时间：2021-03-31 19:44
质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于高效清洁极具前景而备受关注,作为隔绝燃料、承载催化剂和传导质子的关键部分,质子交换膜（PEM）一直是研究的重点与热点。以磷酸（PA）掺杂聚苯并咪唑（PBI）型高温质子交换膜（HTPEM）为代表,相比于低温质子交换膜材料（LTPEM）,高温（160℃）条件下组装的PEMFC具备较高的电极反应动力学,简化的水管理系统,以及催化剂对CO较高的耐受性。然而,PA掺杂PBI型PEM,存在质子传导率与机械性能无法兼顾,溶解加工性差,磷酸渗漏,长期使用寿命不佳等丞待解决的问题。近年来,多种改善PBI结构性能的方法陆续被报道,如改变主链结构,引入碱性基团,接枝磷酸,合成高分子量PBI聚合物,制备复合材料,利用小分子进行共价交联等。但这些方法或多或少存在问题,还需进一步研究改进。本课题组近期在LTPEM领域研究发现,三维树枝状支化结构对聚合物主链结构的改性,可以有效增大聚合物膜材料内部的自由体积。同时,分支之间错综复杂的连接可以有效改善膜材料的抗氧化稳定性。本论文在课题组研究成果的指导下,针对PA掺杂PBI型HTPEM存在的问题,制备合成了一系列...
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢气氧气质子交换膜燃料电池Figure1-1Protonexchangemembranefuelcells（H/O）
支化聚苯并咪唑高温质子交换膜材料的设计、制备与性能优化3量、PA渗漏、机械性能以及抗氧化稳定性息息相关[23]。为了兼顾以上PA掺杂的PBI出现的性能和成本等问题，科研工作者进行了很多尝试。图1-2不同主链结构的聚苯并咪唑聚合物Figure1-2VariousPBIswithdifferentmainbackbone1.6PA掺杂PBI型HTPEMs材料的改性1.6.1PA掺杂PBI型HTPEMs材料的技术要求（1）成本低，易于溶解加工（2）合适的力学性能（3）较好的抗氧化稳定性和热稳定性（4）较高的质子传导率性能和较高的峰值功率密度（5）符合工业要求的长期耐用性1.6.2PBI主链结构的改性最早商业化应用的HTPEM为Celazole公司生产的mPBI膜材料，然而，由于PBI
支化聚苯并咪唑高温质子交换膜材料的设计、制备与性能优化14比。合成过程如下：开启磁力搅拌器上的加热按钮，将搅拌器上的油浴锅加热至140°C，同时将多聚磷酸（PPA）放置于80°C鼓风烘箱中30min。将加热好的多聚磷酸倒入250mL三口烧瓶中，多聚磷酸加入量为45g。将三口烧瓶，回流装置装到磁力搅拌器上，放入磁子，通入氮气。伴随多聚磷酸升温，调节磁子转速至1500rmin-1流畅时，进行下一步反应。将转速调至1000rmin-1，缓慢加入0.6428g3，3’-二氨基联苯胺（DAB）至多聚磷酸中，搅拌12h至体系呈现均相特征。依次加入反应单体粉末（OPBI-R2-X体系：往均相体系中依次缓慢加入定量1，3，5-三（4-羧基苯基）苯和4，4’-二苯醚二甲酸（OBBA），反应2h；OPBI-R3-X体系：往均相体系中依次缓慢加入4，4’，4’’-（苯基-1，3，5-三氧代）-苯甲酸和4，4’-二苯醚二甲酸，反应2h；OPBI-R1-X体系：往均相体系中缓慢加入均苯三酸和4，4’-二苯醚二甲酸，升温至170°C保温1h后再升温至220°C反应3h。）反应结束后，将粘稠液体倒入装有800ml去离子水的2000ml烧杯中析出沉淀物，并往烧杯中加入碳酸氢钠粉末至溶液呈碱性。加入大号磁子，放置在磁力搅拌机上搅拌过夜。过滤所得沉淀物，去离子水冲洗数次后，浸泡在去离子水中，磁力搅拌2h，过滤，再浸泡于无水乙醇中，80°C恒温2h后，过滤。所得产物于120°C真空烘箱中放置24小时，得最终支化聚苯并咪唑，产率93%。图3-14，4’，4’’-（苯基-1，3，5-三氧代）-苯甲酸的合成路线图Figure3-1Syntheticrouteto1,3,5-tri(4-carboxyphenoxy)benzene(R3)图3-2R3的1HNMR谱图Figure3-21HNMRspectrumofR3
本文编号：3111975
【文章来源】：深圳大学广东省
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢气氧气质子交换膜燃料电池Figure1-1Protonexchangemembranefuelcells（H/O）
支化聚苯并咪唑高温质子交换膜材料的设计、制备与性能优化3量、PA渗漏、机械性能以及抗氧化稳定性息息相关[23]。为了兼顾以上PA掺杂的PBI出现的性能和成本等问题，科研工作者进行了很多尝试。图1-2不同主链结构的聚苯并咪唑聚合物Figure1-2VariousPBIswithdifferentmainbackbone1.6PA掺杂PBI型HTPEMs材料的改性1.6.1PA掺杂PBI型HTPEMs材料的技术要求（1）成本低，易于溶解加工（2）合适的力学性能（3）较好的抗氧化稳定性和热稳定性（4）较高的质子传导率性能和较高的峰值功率密度（5）符合工业要求的长期耐用性1.6.2PBI主链结构的改性最早商业化应用的HTPEM为Celazole公司生产的mPBI膜材料，然而，由于PBI
支化聚苯并咪唑高温质子交换膜材料的设计、制备与性能优化14比。合成过程如下：开启磁力搅拌器上的加热按钮，将搅拌器上的油浴锅加热至140°C，同时将多聚磷酸（PPA）放置于80°C鼓风烘箱中30min。将加热好的多聚磷酸倒入250mL三口烧瓶中，多聚磷酸加入量为45g。将三口烧瓶，回流装置装到磁力搅拌器上，放入磁子，通入氮气。伴随多聚磷酸升温，调节磁子转速至1500rmin-1流畅时，进行下一步反应。将转速调至1000rmin-1，缓慢加入0.6428g3，3’-二氨基联苯胺（DAB）至多聚磷酸中，搅拌12h至体系呈现均相特征。依次加入反应单体粉末（OPBI-R2-X体系：往均相体系中依次缓慢加入定量1，3，5-三（4-羧基苯基）苯和4，4’-二苯醚二甲酸（OBBA），反应2h；OPBI-R3-X体系：往均相体系中依次缓慢加入4，4’，4’’-（苯基-1，3，5-三氧代）-苯甲酸和4，4’-二苯醚二甲酸，反应2h；OPBI-R1-X体系：往均相体系中缓慢加入均苯三酸和4，4’-二苯醚二甲酸，升温至170°C保温1h后再升温至220°C反应3h。）反应结束后，将粘稠液体倒入装有800ml去离子水的2000ml烧杯中析出沉淀物，并往烧杯中加入碳酸氢钠粉末至溶液呈碱性。加入大号磁子，放置在磁力搅拌机上搅拌过夜。过滤所得沉淀物，去离子水冲洗数次后，浸泡在去离子水中，磁力搅拌2h，过滤，再浸泡于无水乙醇中，80°C恒温2h后，过滤。所得产物于120°C真空烘箱中放置24小时，得最终支化聚苯并咪唑，产率93%。图3-14，4’，4’’-（苯基-1，3，5-三氧代）-苯甲酸的合成路线图Figure3-1Syntheticrouteto1,3,5-tri(4-carboxyphenoxy)benzene(R3)图3-2R3的1HNMR谱图Figure3-21HNMRspectrumofR3
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