硅氧烷交联聚苯醚基阴离子交换膜的制备与性能研究
发布时间：2021-08-08 00:59
阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）凭借其电池性能好、成本低以及低渗透率的优点引起了科学家广泛的研究。而其关键部件阴离子交换膜的电导率不高、耐碱性差是目前阻碍其发展的两个难题,目前主要尝试采用具有良好化学稳定性的叔胺基团改善膜的电导率以及应用无机组分形成物理包覆减少氢氧根攻击提升膜的耐碱性。本文的研究目的是制备新型的硅氧烷交联聚苯醚基阴离子交换膜并表征其综合性能,具体内容如下:（1）将聚苯醚溴化后与N-甲基二乙醇胺（MDEA）发生季铵化反应并引入羟基,EHTMS与羟基发生开环反应连接到聚苯醚侧链上,利用溶胶-凝胶工艺制备不同EHTMS/MDEA的摩尔比的阴离子交换膜。FTIR结果证明制备过程中的化学反应如期进行,MDEA和EHTMS成功的加入到体系中。SEM结果显示膜的整体结构致密均匀,无明显的相分离现象,并且TG测试显示膜在220℃下的热稳定性好。机械性能测试显示适量交联剂加入会增强膜的拉伸强度,最大达到18.73 MPa。膜的离子电导率会随着硅氧烷含量的增多而减少,但交联结构的增多会增强膜的耐碱性,AEM-20膜在80℃下的离子电导率为17.6 mS/cm,在60℃下碱性溶液中浸泡一...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池的工作原理示意图
51.3.1碱性阴离子交换膜燃料电池的工作原理碱性燃料电池（AEMFC）在促进太空科技的发展中取得长足的发展，是一种以氢气为燃料，以KOH或NaOH溶液为电解质的能源转换装置。碱性燃料电池中电极上的氧化还原反应更易发生，故而可不采用贵金属作为电极[23]。AEMFC的工作原理如图1-2所示，加入的氧化剂氧气在阴极处发生还原反应得到2个e-并生成OH-，得到的OH-会通过碱性阴离子交换膜到达阳极处，加入的氢燃料在阳极处发生氧化反应失去2个e-生成H+，再与OH-反应生成产物H2O。碱性阴离子交换膜会选择性的只透过OH-，反应中的电子则只能通过外电路传输，构成的回路则产生电流[24]。反应过程的反应式如1-4，1-5，1-6所示。阳极：H2+2OH-=2H2O+2e-(1-4)阴极：O2+2H2O+4e-=4OH-(1-5)总反应式：2H2+O2=2H2O(1-6)图1-2碱性燃料电池的工作原理1.3.2碱性阴离子交换膜燃料电池的优缺点碱性阴离子交换膜燃料电池研究是上世纪60年代为了满足美国宇航局的太空计划的发展而掀起的热潮[25]。研究时间短，无大规模的投入导致目前AEMFC的关键部件阴离子交换膜研究仍有一些不足，如（1）KOH电解质会与二氧化碳反应生成碳酸钾影响膜的综合性能[26]；（2）与PEMFC中H+的扩散系数相比，AEMFC中的OH-的传导速率低，故而电导率低；（3）AEMFC的工作环境是高1.3碱性阴离子交换膜燃料电池
8增大为53%。当温度从30℃增加到80℃，QPPO-PAES-QPPO-0.76膜的电导率从54.2mS·cm1增加到113.2mS·cm1。将QPPO-PAES-QPPO-0.38在80℃下浸入1mol/L的NaOH溶液中10天后，膜在30℃下的电导率从32.1mS·cm-1降至15.7mS·cm-1。测试结果表明ABA三嵌段共聚物的相分离对于改善AEM的电导率起重要作用，膜具有良好的耐碱性是由于疏水的PAES的阻滞作用。图1-3阴离子交换膜QPPO-PAES-QPPO结构式Park等[38]以4,4"-二氟二苯砜（FPS），双酚A（BPA），4,4"-（六氟异亚丙基）二酚（HFBPA）为原料，经过氯甲基化，季铵化过程合成一种含季铵基团的多嵌段共聚（亚芳基醚砜）（QmPES）阴离子交换膜。尽管膜的吸水率低，但制备了具有相当高导电率的季铵化阴离子膜，在60℃下为37.7mS/cm。膜中精确嵌段化学结构可通过一维和二维核磁分析得到。膜中共聚物的原料比例相同时的嵌段共聚物（mPES-X6.7Y3.4）和无规共聚物（rPES-X0.67NY0.33N），虽然两种膜具有相同的1.38meq/g的IEC值，但mPES的电导率由25℃的15.7mS/cm上升到60℃的37.7mS/cm，rPES的电导率由25℃的5.7mS/cm提升到60℃的13.6mS/cm，明显QmPES膜的电导率更高。这是由于mPES-X6.7Y3.4的疏水/亲水的嵌段使得相分离现象比rPES-X0.67NY0.33N更加的明显，以此促进膜的离子传导，提升膜的电导率。上述工作表明聚合物嵌段结构在阴离子交换膜的性能中起重要作用。1.4.1.2侧链型聚合物嵌段型AEM中通过调节亲水/疏水片段的比例促进膜内离子簇的生成和形成相分离以获得优异的性能。但是膜的离子通道往往较大以至于容易造成大量水分子的渗入导致膜的溶胀度增大甚至是膜降解，这会损失膜的尺寸稳定性和机械性能[39]。Li等[40]通过Suzuki偶联反应成功的合成了一种具有两个侧链苄基的新单体，通过
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向燃料电池的聚苯醚基离子交换膜[J]. 刘雅芝,丁亮,刘娇,杨正金,徐铜文. 高分子学报. 2018(07)
[2]用于燃料电池的碱性阴离子交换膜研究进展[J]. 袁园,沈春晖,陈继钦,任学超. 化工进展. 2017(09)
[3]自交联型季铵化聚醚砜阴离子交换膜的制备与性能[J]. 陈荣,李昂,房世超,毕慧平,胡朝霞,陈守文. 高分子学报. 2016(04)
[4]高温质子交换膜燃料电池研究进展[J]. 梁洪浩,许思传,常国锋. 电源技术. 2012(02)
[5]21世纪的绿色新能源——燃料电池[J]. 张世敏,张无敌,尹芳,徐锐. 科技创新导报. 2008(18)
[6]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
硕士论文
[1]聚砜阴离子交换膜的制备及性能研究[D]. 吕喜风.东北大学 2012
本文编号：3328886
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池的工作原理示意图
51.3.1碱性阴离子交换膜燃料电池的工作原理碱性燃料电池（AEMFC）在促进太空科技的发展中取得长足的发展，是一种以氢气为燃料，以KOH或NaOH溶液为电解质的能源转换装置。碱性燃料电池中电极上的氧化还原反应更易发生，故而可不采用贵金属作为电极[23]。AEMFC的工作原理如图1-2所示，加入的氧化剂氧气在阴极处发生还原反应得到2个e-并生成OH-，得到的OH-会通过碱性阴离子交换膜到达阳极处，加入的氢燃料在阳极处发生氧化反应失去2个e-生成H+，再与OH-反应生成产物H2O。碱性阴离子交换膜会选择性的只透过OH-，反应中的电子则只能通过外电路传输，构成的回路则产生电流[24]。反应过程的反应式如1-4，1-5，1-6所示。阳极：H2+2OH-=2H2O+2e-(1-4)阴极：O2+2H2O+4e-=4OH-(1-5)总反应式：2H2+O2=2H2O(1-6)图1-2碱性燃料电池的工作原理1.3.2碱性阴离子交换膜燃料电池的优缺点碱性阴离子交换膜燃料电池研究是上世纪60年代为了满足美国宇航局的太空计划的发展而掀起的热潮[25]。研究时间短，无大规模的投入导致目前AEMFC的关键部件阴离子交换膜研究仍有一些不足，如（1）KOH电解质会与二氧化碳反应生成碳酸钾影响膜的综合性能[26]；（2）与PEMFC中H+的扩散系数相比，AEMFC中的OH-的传导速率低，故而电导率低；（3）AEMFC的工作环境是高1.3碱性阴离子交换膜燃料电池
8增大为53%。当温度从30℃增加到80℃，QPPO-PAES-QPPO-0.76膜的电导率从54.2mS·cm1增加到113.2mS·cm1。将QPPO-PAES-QPPO-0.38在80℃下浸入1mol/L的NaOH溶液中10天后，膜在30℃下的电导率从32.1mS·cm-1降至15.7mS·cm-1。测试结果表明ABA三嵌段共聚物的相分离对于改善AEM的电导率起重要作用，膜具有良好的耐碱性是由于疏水的PAES的阻滞作用。图1-3阴离子交换膜QPPO-PAES-QPPO结构式Park等[38]以4,4"-二氟二苯砜（FPS），双酚A（BPA），4,4"-（六氟异亚丙基）二酚（HFBPA）为原料，经过氯甲基化，季铵化过程合成一种含季铵基团的多嵌段共聚（亚芳基醚砜）（QmPES）阴离子交换膜。尽管膜的吸水率低，但制备了具有相当高导电率的季铵化阴离子膜，在60℃下为37.7mS/cm。膜中精确嵌段化学结构可通过一维和二维核磁分析得到。膜中共聚物的原料比例相同时的嵌段共聚物（mPES-X6.7Y3.4）和无规共聚物（rPES-X0.67NY0.33N），虽然两种膜具有相同的1.38meq/g的IEC值，但mPES的电导率由25℃的15.7mS/cm上升到60℃的37.7mS/cm，rPES的电导率由25℃的5.7mS/cm提升到60℃的13.6mS/cm，明显QmPES膜的电导率更高。这是由于mPES-X6.7Y3.4的疏水/亲水的嵌段使得相分离现象比rPES-X0.67NY0.33N更加的明显，以此促进膜的离子传导，提升膜的电导率。上述工作表明聚合物嵌段结构在阴离子交换膜的性能中起重要作用。1.4.1.2侧链型聚合物嵌段型AEM中通过调节亲水/疏水片段的比例促进膜内离子簇的生成和形成相分离以获得优异的性能。但是膜的离子通道往往较大以至于容易造成大量水分子的渗入导致膜的溶胀度增大甚至是膜降解，这会损失膜的尺寸稳定性和机械性能[39]。Li等[40]通过Suzuki偶联反应成功的合成了一种具有两个侧链苄基的新单体，通过
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向燃料电池的聚苯醚基离子交换膜[J]. 刘雅芝,丁亮,刘娇,杨正金,徐铜文. 高分子学报. 2018(07)
[2]用于燃料电池的碱性阴离子交换膜研究进展[J]. 袁园,沈春晖,陈继钦,任学超. 化工进展. 2017(09)
[3]自交联型季铵化聚醚砜阴离子交换膜的制备与性能[J]. 陈荣,李昂,房世超,毕慧平,胡朝霞,陈守文. 高分子学报. 2016(04)
[4]高温质子交换膜燃料电池研究进展[J]. 梁洪浩,许思传,常国锋. 电源技术. 2012(02)
[5]21世纪的绿色新能源——燃料电池[J]. 张世敏,张无敌,尹芳,徐锐. 科技创新导报. 2008(18)
[6]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
硕士论文
[1]聚砜阴离子交换膜的制备及性能研究[D]. 吕喜风.东北大学 2012
本文编号：3328886
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3328886.html
