纳米颗粒掺杂提高聚砜基阴离子交换膜传导率

发布时间：2017-07-15 19:24

  本文关键词：纳米颗粒掺杂提高聚砜基阴离子交换膜传导率

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【摘要】：碱性阴离子交换膜燃料电池独特的碱性环境降低了燃料的过电位,和电解质对催化剂的腐蚀,受到广泛的关注。碱性阴离子交换膜是碱性阴离子交换膜燃料电池的关键部件之一,其较低的传导率严重制约着碱性阴离子交换膜燃料电池商业化的使用。本论提出在功能化的聚砜膜中添加表面富含正电基团的纳米颗粒,通过纳米颗粒表面的高离子浓度,促进膜内微相分离,诱导亲水通道的形成,提高膜的离子传导率。设计合成多种表面富含正电性基团的纳米颗粒,并将纳米颗粒与功能化的聚砜混合,制备复合膜。论文首先合成表面富含三乙烯二胺季铵盐的Si02纳米颗粒(SiO2-Da),并与三乙烯二胺季铵化的聚砜(PSf-Da)进行混合,制备复合膜。随着添加的SiO2-Da质量百分比自0%增至20%,复合膜PSf-Da/SiO2-Da的离子交换容量(IEC)轻微下降,但是其传导率呈现出先升高后降低的趋势,在添加量为12、wt.%时传导率最高,推测原因为SiO2-Da促进膜内微相分离,并且自身的高局部离子浓度辅助构造离子通道,提高传导率。将复合膜浸泡在热碱溶液中,传导率迅速下降,24h后与未添加纳米颗粒的聚砜膜传导率相当,这是因为Si02在热碱中分解,证明传导率的提高归因于SiO2-Da的添加。但受限于原膜PSf-Da较低的传导率和较高的吸水溶胀,复合膜总体传导率不高,吸水溶胀较大。为了提高复合膜传导率等性能,使用1,2-二甲基咪唑作为正离子基团改性Si02,得到咪唑功能化纳米颗粒SiO2-Im,并与咪唑功能化的聚砜(PSf-Im)混合,制备复合膜。同样的,复合膜PSf-Im/SiO2-Im随着添加的SiO2-Im质量百分比自0%升至20%,IEC轻微下降,传导率在12、wt.%时达到最高,与复合膜PSf-Da/SiO2-Da表现出相同的变化趋势。在相同取代度下,与PSf-Da/SiO2-Da复合膜相比,复合膜PSf-Im/SiO2-Im传导率更高,吸水溶胀更低。但是碱性阴离子交换膜燃料电池的使用环境为碱性条件,纳米颗粒的热碱稳定性有待提高。为提高纳米颗粒碱稳定性,制备表面富含咪唑的α-Al2O3纳米颗粒(Al2O3-Im) 。与PSf-Im混合,制备复合膜。测试数据显示,复合膜PSf-Im/Al2O3-Im在12wt.%时传导率达到最高。将复合膜置于1MKOH溶液中,60℃恒温30h,复合膜离子传导率自40 mS cm-1降至35 mS cm-1并趋于平衡,显示出较高的热碱稳定性。
【关键词】：纳米复合膜 SiO_2 Al_2O_3 碱性阴离子交换膜 聚砜
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ425.236;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 文献综述11-26
• 1.1 碱性阴离子交换膜燃料电池11-13
• 1.1.1 碱性阴离子交换膜燃料电池概述11
• 1.1.2 碱性阴离子交换膜燃料电池工作原理11-13
• 1.2 碱性阴离子交换膜13-16
• 1.2.1 碱性阴离子交换膜概述13-14
• 1.2.2 碱性阴离子交换膜传导机理14-15
• 1.2.3 碱性阴离子交换膜的主要问题15-16
• 1.3 碱性阴离子交换膜研究进展16-24
• 1.3.1 碱性阴离子交换膜分类16-19
• 1.3.2 影响膜传导率的主要因素19-20
• 1.3.3 膜内传导基团研究进展20-23
• 1.3.4 膜内结构研究进展23-24
• 1.4 论文立题依据及研究内容24-26
• 2 PSf-Da/SiO_2-Da膜的制备与性能26-40
• 2.1 实验部分26-30
• 2.1.1 实验药品26
• 2.1.2 氯甲基化聚砜的制备26-27
• 2.1.3 SiO_2-Da纳米颗粒的合成27
• 2.1.4 PSf-Da/SiO_2-Da膜的制备27
• 2.1.5 表征方法与性能测定27-30
• 2.2 PSf-Da/SiO_2-Da膜的性能30-39
• 2.2.1 CMPSf和PSf-Im的核磁结构30
• 2.2.2 PSf-Da/SiO_2-Da膜与SiO_2-Da纳米颗粒形貌测定30-32
• 2.2.3 PSf-Da/SiO_2-Da膜的离子交换容量32
• 2.2.4 PSf-Da/SiO_2-Da膜的氢氧根传导率32-34
• 2.2.5 PSf-Da/SiO_2-Da膜的吸水率与溶胀度34-37
• 2.2.6 PSf-Da/SiO_2-Da膜的碱稳定性测试37-38
• 2.2.7 PSf-Da/SiO_2-Da膜的热稳定性测试38-39
• 2.3 本章小结39-40
• 3 PS-Im/SiO_2-Im膜的制备与性能40-53
• 3.1 实验40-41
• 3.1.1 实验药品40
• 3.1.2 氯甲基化聚砜的制备40
• 3.1.3 SiO_2-Im纳米颗粒的合成40-41
• 3.1.4 PSf-Im/SiO_2-Im膜的制备41
• 3.1.5 表征方法与性能测定41
• 3.2 PSf-Im/SiO_2-Im膜的性能41-51
• 3.2.1 CMPSf和PSf-Im的核磁结构41-42
• 3.2.2 PSf-Im/SiO_2-Im膜与SiO_2-Im纳米颗粒形貌测定42-44
• 3.2.3 PSf-Im/SiO_2-Im膜的离子交换容量44
• 3.2.4 PSf-Im/SiO_2-Im膜的氢氧根传导率44-47
• 3.2.5 PSf-Im/SiO_2-Im膜的吸水率与溶胀度47-50
• 3.2.6 PSf-Im/SiO_2-Im膜的碱稳定性测试50-51
• 3.2.7 PSf-Im/SiO_2-Im膜的热稳定性测试51
• 3.3 本章小结51-53
• 4 PSf-Im/Al_2O_3-Im膜的制备53-63
• 4.1 实验53-54
• 4.1.1 实验药品53
• 4.1.2 氯甲基化聚砜的制备53
• 4.1.3 Al_2O_3-Im纳米颗粒的合成53-54
• 4.1.4 PSf-Im/Al_2O_3-Im膜的制备54
• 4.1.5 表征方法与性能测定54
• 4.2 PSf-Im/Al_2O_3-Im膜的性能54-62
• 4.2.1 CMPSf与PSf-Im的核磁结构54
• 4.2.2 PSf-Im/Al_2O_3-Im膜与Al_2O_3-Im纳米颗粒形貌测定54-55
• 4.2.3 PSf-Im/Al_2O_3-Im膜的离子交换容量55-56
• 4.2.4 PSf-Im/Al_2O_3-Im膜的氢氧根传导率56-57
• 4.2.5 PSf-Im/Al_2O_3-Im膜的吸水率与溶胀度57-60
• 4.2.6 PSf-Im/Al_2O_3-Im膜的碱稳定性测试60-61
• 4.2.7 PSf-Im/Al_2O_3-Im膜的热稳定性测试61-62
• 4.3 本章小结62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-70
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况70-71
• 致谢71-72

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本文编号：545411