基于SPEEK双质子导体质子交换膜的制备与性能研究
发布时间：2021-10-21 14:20
质子交换膜燃料电池（PEMFC）对未来能源需求至关重要,作为燃料电池最核心部件质子交换膜的性能对PEMFC寿命长短影响极大。Nafion膜作为当前最被人们熟知的质子交换膜材料之一。它拥有良好的综合性能且在低温环境下可以保持较高的质子电导率,但是其制作成本昂贵且无法在高温低湿度下保持较高的质子电导率。当PEMFC电堆温度高于80后,Nafion膜会出现少许脱水的现象从而导致质子传递能力急剧下降,严重影响膜的性能。因此制备出价格低廉且可以在高温情况下正常运行的质子交换膜是目前研究重点方向之一。本文采用磺化聚醚醚酮（SPEEK）作为质子交换膜的基体材料,分别引入羟基乙叉二膦酸（HEDP）和1-（3-氨基丙基）咪唑两种不依赖于水的高温质子导体制备复合膜,并对制备的复合膜进行结构表征和性能分析。具体内容如下:（1）以磺酸和膦酸为主要质子传导载体,利用异氰酸基丙基三乙氧硅烷（IPTES）和HEDP之间的加成反应将HEDP化学键合到有机硅氧烷体系中,然后将膦酸化有机硅氧烷掺杂到SPEEK基体材料中制备复合膜。通过红外光谱测试表明IPTES和HEDP反应成功。场发射扫描电镜（SEM）观察其断面显示复合...
【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】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC的工作原理图
24h，最后放入120烘箱中处理12h直至膜内不存在NMP溶剂。膜内可能存在游离未参与反应的HEDP，为了不影响后续测试结果，我们将制备的膜样品放入去离子水中浸泡48h以去除未反应的HEDP。所制备的不同比例的HEDP接枝IPTES质子交换膜用Si-PX来表示（X=1，2，3，4）。具体制备流程图如下图2-1所示。图2-1HEDP接枝IPTES流程图2.2.4.3AES-X复合膜的制备按照2.2.4.2方法制备HEDP接枝IPTES混合液待用，然后称取一定量干燥好的SPEEK加入含NMP溶液的烧杯中，加热并磁力搅拌120min使其完全溶解。最后将溶解好的SPEEK溶液加入HEDP接枝IPTES混合液中，温度设置为60，磁力搅拌6-8h得到澄清透明的溶胶，并将其倾倒于聚四氟乙烯膜盘中，按照2.2.4.2中热处理方法成膜。制备的一系列复合膜命名为AES-X（X=1，2，3，4）。其中SPEEK和Si-PX质量比为1：1。
41图2-8质子氢传递路线图（a）运载机理，（b）跳跃机理2.5本章小结本章以磺化度62%的SPEEK材料作为复合膜基体材料，并成功引入了IPTES和HEDP。实验表明制备的复合膜不仅具备良好的综合性能，其还可以在高温下保持较高的质子电导率。1.通过红外光谱证明了IPTES和HEDP成功反应，并有效的引入至SPEEK膜中。此外，红外谱图还证明了IPTES成功水解形成Si-O-Si交联结构。2.通过耐水解性能测试证明制备的复合膜有效的避免了Si-O-P或C-O-P键的生成，保留水解稳定的Si-C和P-C键，获得非水溶性和水解稳定的二膦酸基高温质子导体，避免其在燃料电池工作过程中随水分子流失，提高耐久性。3.通过对复合膜断面形貌观察得出复合膜中具备良好的网状结构，可以间接证明IPTES的成功水解，而含过多HEDP的复合膜中交联结构不明显，这间接表明过量的HEDP会阻止IPTES的水解。4.对复合膜的溶胀性能和吸水率测试表明HEDP的引入可以有效增加复合膜的吸水率，同时由于IPTES的水解成功也保证了溶胀度的减校但过多的HEDP存在会导致复合膜溶胀度变大，这间接证明了过多的HEDP可能会阻碍
【参考文献】：
期刊论文
[1]能源约束与中国可再生能源开发利用对策[J]. 王浩. 资源节约与环保. 2016(03)
[2]新能源开发的生态哲学思考[J]. 戴维潇. 中国管理信息化. 2014(17)
[3]DMFCs用磺化聚醚醚酮/功能化二氧化硅复合质子交换膜[J]. 高启君,王宇新,吕晓龙. 高分子学报. 2012(06)
[4]磺化聚芳醚酮砜/ZrO2复合型质子交换膜的制备与性能[J]. 王哲,高洪成,赵成吉,常虹,张会轩,那辉. 高等学校化学学报. 2011(08)
[5]磷钨酸/二氧化硅/磺化聚醚醚酮复合膜的制备、表征与性能[J]. 杨武斌,朱红,张世超. 现代化工. 2007(03)
[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)
博士论文
[1]燃煤电厂烟气固碳研究[D]. 杨磊.南开大学 2012
[2]直接甲醇燃料电池用磺化聚醚醚酮膜材料的制备与研究[D]. 付铁柱.吉林大学 2009
硕士论文
[1]模拟酸雨对农作物生长发育、产量及营养品质的影响[D]. 麦博儒.南京信息工程大学 2008
本文编号：3449152
【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】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC的工作原理图
24h，最后放入120烘箱中处理12h直至膜内不存在NMP溶剂。膜内可能存在游离未参与反应的HEDP，为了不影响后续测试结果，我们将制备的膜样品放入去离子水中浸泡48h以去除未反应的HEDP。所制备的不同比例的HEDP接枝IPTES质子交换膜用Si-PX来表示（X=1，2，3，4）。具体制备流程图如下图2-1所示。图2-1HEDP接枝IPTES流程图2.2.4.3AES-X复合膜的制备按照2.2.4.2方法制备HEDP接枝IPTES混合液待用，然后称取一定量干燥好的SPEEK加入含NMP溶液的烧杯中，加热并磁力搅拌120min使其完全溶解。最后将溶解好的SPEEK溶液加入HEDP接枝IPTES混合液中，温度设置为60，磁力搅拌6-8h得到澄清透明的溶胶，并将其倾倒于聚四氟乙烯膜盘中，按照2.2.4.2中热处理方法成膜。制备的一系列复合膜命名为AES-X（X=1，2，3，4）。其中SPEEK和Si-PX质量比为1：1。
41图2-8质子氢传递路线图（a）运载机理，（b）跳跃机理2.5本章小结本章以磺化度62%的SPEEK材料作为复合膜基体材料，并成功引入了IPTES和HEDP。实验表明制备的复合膜不仅具备良好的综合性能，其还可以在高温下保持较高的质子电导率。1.通过红外光谱证明了IPTES和HEDP成功反应，并有效的引入至SPEEK膜中。此外，红外谱图还证明了IPTES成功水解形成Si-O-Si交联结构。2.通过耐水解性能测试证明制备的复合膜有效的避免了Si-O-P或C-O-P键的生成，保留水解稳定的Si-C和P-C键，获得非水溶性和水解稳定的二膦酸基高温质子导体，避免其在燃料电池工作过程中随水分子流失，提高耐久性。3.通过对复合膜断面形貌观察得出复合膜中具备良好的网状结构，可以间接证明IPTES的成功水解，而含过多HEDP的复合膜中交联结构不明显，这间接表明过量的HEDP会阻止IPTES的水解。4.对复合膜的溶胀性能和吸水率测试表明HEDP的引入可以有效增加复合膜的吸水率，同时由于IPTES的水解成功也保证了溶胀度的减校但过多的HEDP存在会导致复合膜溶胀度变大，这间接证明了过多的HEDP可能会阻碍
【参考文献】：
期刊论文
[1]能源约束与中国可再生能源开发利用对策[J]. 王浩. 资源节约与环保. 2016(03)
[2]新能源开发的生态哲学思考[J]. 戴维潇. 中国管理信息化. 2014(17)
[3]DMFCs用磺化聚醚醚酮/功能化二氧化硅复合质子交换膜[J]. 高启君,王宇新,吕晓龙. 高分子学报. 2012(06)
[4]磺化聚芳醚酮砜/ZrO2复合型质子交换膜的制备与性能[J]. 王哲,高洪成,赵成吉,常虹,张会轩,那辉. 高等学校化学学报. 2011(08)
[5]磷钨酸/二氧化硅/磺化聚醚醚酮复合膜的制备、表征与性能[J]. 杨武斌,朱红,张世超. 现代化工. 2007(03)
[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)
博士论文
[1]燃煤电厂烟气固碳研究[D]. 杨磊.南开大学 2012
[2]直接甲醇燃料电池用磺化聚醚醚酮膜材料的制备与研究[D]. 付铁柱.吉林大学 2009
硕士论文
[1]模拟酸雨对农作物生长发育、产量及营养品质的影响[D]. 麦博儒.南京信息工程大学 2008
本文编号：3449152
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