长寿命碱性燃料电池阴离子交换膜研究

发布时间：2022-12-06 18:27

　　由于化石能源的过度开发与利用,造成的能源短缺与环境污染问题已经成为制约人类社会发展的主要挑战。可再生能源（氢能、太阳能、风能等）的开发与高效利用已经成为世界各国在经济、政治、科研方面竞争与合作的主题。其中,氢能由于环保、来源广泛、利用形式多样、能量密度高等优点被视为人类未来最理想的可再生能源。其中,氢能的开发与利用主要依赖于燃料电池（Fuelcells）技术的发展,被普遍认为是氢能最佳的能源转换与储存装置。近年来,氢能聚合物膜燃料电池由于高效,环保,可快速低温启动等优点受到了广泛的关注与发展,并被成功开发应用于新能源汽车等国民经济主战场。传统的聚合物膜燃料电池主要以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为主。然而PEMFC在酸性条件下工作,对贵金属铂的依赖性过强。此外,PEMFC所使用的全氟磺酸膜（Nafion）价格也较为昂贵。因此,PEMFC的高成本问题始终难以克服,从而大大制约了 PEMFC的商业化推广。在本文的研究中,我们基于全新的,可使用非贵金属催化剂的碱性膜燃料电池（AMFC）,从本质上降低了燃料电池的成本。AMFC在碱性条件下工作,可允许Fe,Co,Ni等廉价的金属作为催化剂,具... 

【文章页数】：190 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
学位论文数据集
本论文主要创新工作
摘要
ABSTRACT
符号说明
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 燃料电池技术
        1.2.1 燃料电池工作原理
        1.2.2 燃料电池分类
    1.3 AMFC与碱性膜
    1.4 碱性膜的发展
        1.4.1 聚合物骨架
        1.4.2 季铵阳离子与咪唑阳离子
        1.4.3 季鏻阳离子与叔锍阳离子
        1.4.4 有机-金属阳离子
    1.5 AEM的结构设计与性能提升策略
        1.5.1 阳离子远程接枝型
        1.5.2 阳离子簇型
        1.5.3 阳离子串型
        1.5.4 嵌段共聚型
        1.5.5 交联型碱性膜
        1.5.6 有机-无机杂化膜
    1.6 小结
    1.7 AEM研发面临的挑战
    1.8 研究思路与文章结构
第二章 实验材料与表征方法学
    2.1 试剂与仪器
    2.2 表征与测试方法
        2.2.1 核磁(NMR)
        2.2.2 红外(FTIR)
        2.2.3 扫描电子显微镜(SEM)
        2.2.4 透射电子显微镜(TEM)
        2.2.5 原子力子显微镜(AFM)
        2.2.6 小角X射线散射(SAXS)
        2.2.7 热重分析(TGA)
        2.2.8 机械性能测试
        2.2.9 凝胶渗透色谱(GPC)
        2.2.10 溶胀(Sr)、水吸收(Wu)、离子交换容量(IEC)、水合数(λ)
        2.2.11 离子传导率
        2.2.12 耐碱性测试
        2.2.13 单电池性能测试
第三章 新型二茂钴阳离子-聚苯并咪唑阴离子交换膜
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 二茂钴-六氟磷酸盐(Cp_2Co~+PF_6~-)的合成
        3.2.2 1,1'-二甲基二茂钴六氟磷酸盐(DMCp_2Co~+PF_6~-)的合成
        3.2.3 1,1’-二羧基二茂钴六氟磷酸盐(DCCp_2Co~+PF_6~-)的合成
        3.2.4 聚[2,2'-(1,1'-二茂钴阳离子)-5,5,-二(N-甲基二苯并咪唑)]盐(MCp_2Co~+OH~--PBI)的合成
        3.2.5 聚[2,2'-(1,1'-二茂钴阳离子)-2,-(1,1'-丁基)-5,5'-二(N-甲基二苯并咪唑)]碳酸氢盐(MCp_2Co~+OH~--B-PBI)的合成
        3.2.6 聚[2,2'-(1,1’-二茂钴阳离子)-2,-(对亚苯基)-5,5’-二(N-甲基二苯并咪唑)]碳酸氢盐(MCp_2Co~+OH~--PP-PBI)的合成
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 阳离子耐碱性研究
        3.3.2 聚合物结构与形貌表征
        3.3.3 IEC、水吸收、溶胀、力学性能
        3.3.4 热稳定性
        3.3.5 离子传导率
        3.3.6 耐碱性
    3.4 本章小结
    3.5 本章主要创新点
第四章 氮杂螺环阳离子负载型聚苯醚碱性膜
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 3-(3-(4-哌啶基)丙基)-6-氮杂螺[5.5]十一烷(P-ASU)的合成
        4.2.2 ASU-PPO的合成
        4.2.3 ASU-TC-PPO的合成
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 P-ASU,ASU-PPO,与ASU-TC-PPO的合成与设计思路
        4.3.2 P-ASU耐碱寿命测试
        4.3.3 IEC,Wu,Sr的关系
        4.3.4 膜形貌,相结构与离子传导率的关系
        4.3.5 热稳定性与机械性能
        4.3.6 耐碱性
        4.3.7 AMFC性能测试
    4.4 本章小结
    4.5 本章主要创新点
第五章 氮杂环阳离子交联型-聚苯醚/聚联苯碱性膜
    5.1 引言
    5.2 实验部分
        5.2.1 聚(二联苯-N-甲基哌啶)(m-PBP)的合成
        5.2.2 聚(二联苯-N,N-二甲基哌啶盐)碘化物(dm-PBP)的合成
        5.2.3 交联型PBP-ASU-PPO的合成
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 PBP膜的开发与性能研究
        5.3.2 IEC,水吸收,溶胀度
        5.3.3 热性能和机械性能
        5.3.4 膜形貌与离子传导率
        5.3.5 耐碱寿命
        5.3.6 单电池性能
    5.4 本章小结
    5.5 本章主要创新点
    长寿命AEM膜总结与展望
第六章 离子液体改性-二氧化硅/聚苯醚复合膜
    6.1 引言
    6.2 实验部分
        6.2.1 IL-SiO_2的合成
        6.2.2 QAPPO膜的合成
        6.2.3 QAPPO/IL-SiO_2复合膜的合成
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 IEC与溶胀的变化规律
        6.3.2 离子传导率与机械性能的提升规律
        6.3.3 热稳定性与保水能力
        6.3.4 单电池性能测试
        6.3.5 抗毒化性能测试
    6.4 本章小结
    6.5 本章创新点
第七章 “三明治”结构改性二氧化硅-聚苯醚复合膜
    7.1 引言
    7.2 实验部分
        7.2.1 1,2-二甲基咪唑改性SiO_2 (Im-SiO_2)的合成
        7.2.2 TA-PPO的合成
        7.2.3 “三明治”结构Im-SiO_2/TA-PPO复合膜的制备
    7.3 结果与讨论
        7.3.1 三明治结构复合膜的设计思路与结构表征
        7.3.2 三明治结构复合膜IEC,Wu,Sr的变化规律
        7.3.3 离子传导率变化规律
        7.3.4 机械性能与热稳定性
        7.3.5 化学稳定性
    7.4 本文工作小结
    7.5 本章主要创新点
第八章 多孔“三明治”结构改性水滑石/聚苯醚复合膜
    8.1 引言
    8.2 实验部分
        8.2.1 改性LDH(QA-LDH)的合成
        8.2.2 TC-PPO的合成
        8.2.3 多孔三明治结构QA-LDH/TC-PPO复合膜的制备
    8.3 结果与讨论
        8.3.1 多孔三明治结构复合膜的结构表征与设计思路
        8.3.2 IEC,Wu,Sr的变化规律
        8.3.3 “三明治”结构复合膜的界面稳定性
        8.3.4 离子传导率测试
        8.3.5 机械性能与热稳定性测试
        8.3.6 耐碱性测试
        8.3.7 单电池性能测试
    8.4 本章小结
    8.5 本章主要创新点
本文工作总结
本文创新点
参考文献
致谢
博士期间发表研究论文与取得的科研成果
作者与导师简介
附件


【参考文献】：
期刊论文
[1]Ion exchange membranes from poly（2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide） and related applications[J]. Jiahui Zhou,Peipei Zuo,Yahua Liu,Zhengjin Yang,Tongwen Xu.  Science China（Chemistry）. 2018(09)



本文编号：3711414