壳聚糖基碱性阴离子交换复合膜的设计、制备与燃料电池应用研究

发布时间：2017-07-30 18:25

  本文关键词：壳聚糖基碱性阴离子交换复合膜的设计、制备与燃料电池应用研究

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【摘要】：由于具有反应动力学快、甲醇渗透率低、不会生成碳酸盐、CO中毒概率小、非铂催化剂的使用等优点,碱性阴离子交换复合膜燃料电池已成为近年来的研究热点。然而,氢氧根离子(OH-)的扩散速率仅为氢离子(H+)的1/4,因此获得较高的电导率、降低活化极化,对碱性阴离子交换复合膜的研究尤为重要。另一方面,膜的稳定性,尤其是在高浓度的碱液中的耐碱稳定性和尺寸稳定性是制约碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)发展的一个重要因素。本论文通过溶液浇注法制备了基于壳聚糖／水溶性氯化-1-乙烯基-3-甲基-1H-咪唑与1-乙烯基-2-吡咯烷酮的聚合物的碱性交换复合膜(Chitosan/EMImC-Co-EP-OH-),并成功应用于燃料电池。由于引入了含有稳定的咪唑环结构的EMImC-Co-EP,以及物理-化学双交联法在膜内形成的致密网络结构使此类复合膜不仅具有优良的电导率(0.01S cm-1),而且具有良好的稳定性和优异的机械性能。采用了傅里叶红外分析(FTIR)、场发射扫描电镜(SEM)、热重分析(TGA)和交流阻抗(AC impedance)等方法详细考察了Chitosan/EMImC-Co-EP-OH阴离子交换复合膜的分子结构、热稳定性、机械稳定性、氧化稳定性、耐碱稳定性、电导率和含水率,以及组分效应、交联方式、氧化石墨烯(GO)掺杂及PVA-Chitosan共混对膜的发电性能的影响,具体结论如下：(1)红外谱图和电镜照片研究表明：Chitosan/EMImC-Co-EP-OH-阴离子交换复合膜内部形成了致密的网络结构,说明物理-化学双交联法成功应用于该类膜的制备。(2)Chitosan/EMImC-Co-EP-OH阴离子交换复合膜具有较高的电导率,且电导率随着EMImC-Co-EP含量的增加而增加,在Chitosan /EMImC-Co-EP质量比为1：0.75时达到最大值0.011 S cm-1,此后进一步增加EMImC-Co-EP含量导致电导率的下降。(3)电镜照片和膜的机械性能测试表明：当Chitosan /EMImC-Co-EP质量比为1：0.75和1：1时,膜内发生了明显的相分离现象,故机械性能较差,其拉伸强度小于2 MPa,而伸长率仅为1.57%。(4)因选用含有稳定五元环结构的咪唑盐,所以,Chitosan /EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜具有优良的热稳定性、机械稳定性、氧化稳定性及耐碱稳定性。膜的起始分解温度达225℃；在8 M85℃高浓度KOH溶液中300h后,电导率仍维持在0.01 S cm-1左右；在常温30%H2O2溶液中,也表现出相对较高的稳定性。(5)GO和PVA的添加使得膜的稳定性得到进一步提高,特别是表现在膜的力学性能上。拉伸强度试验表明：掺杂1% GO的Chitosan/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜(Chitosan /EMImC-Co-EP质量比为1：0.75),其拉伸强度为33.63 MPa,伸长率为9.77%,而未掺杂GO的同质量比的膜的拉伸强度和伸长率仅分别为1.68MPa和1.57%。而添加PVA后,膜的机械强度更是发生了质的飞跃。其中,Chitosan和PVA质量比为3：2的Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜的机械强度最差,其拉伸强度为7.39MPa,伸长率为50.5%。(6)初步单电池发电结果显示：以Chitosan/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜所制备的膜电极(MEA)具有优良的发电性能。Chitosan/EMImC-Co-EP质量比分别为1：0.5和1：0.75的MEA发电功率分别为21.7和11.4 mW cm-2,开路电压(OCV)分别为0.92V(Chitosan/EMImC-Co-EP=1:0.5)和0.82V (Chitosan/EMImC-Co-EP =1:0.75)。进一步掺杂GO后的发电功率得到明显提高,室温下发电功率密度最高达到37.3 mW cm-2,比未掺杂GO提高了2倍多。而以Chitosan/PVA质量比为3：2的Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜所制备的MEA发电功率也比未添加PVA的Chitosan/EMImC-Co-EP质量比为1：0.75的Chitosan/EMImC-Co-EP阴离子交换复合膜的发电功率高2倍以上,最大发电功率28.3mW cm-2。
【关键词】：碱性阴离子交换复合膜 壳聚糖 咪唑基 GO 氢氧根电导率 单电池发电性能
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ425.236;TM911.4
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 燃料电池12-16
• 1.1.1 燃料电池工作原理12-14
• 1.1.2 燃料电池的分类14-16
• 1.2 聚合物电解质膜燃料电池16-19
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池16-17
• 1.2.2 碱性阴离子交换膜燃料电池17-19
• 1.3 碱性阴离子交换复合膜在燃料电池中的应用19-23
• 1.3.1 异相膜19-20
• 1.3.2 均相膜20-22
• 1.3.3 穿网络结构聚合物膜22-23
• 1.4 本课题提出的意义、研究内容及创新点23-26
• 1.4.1 本课题提出的意义23-24
• 1.4.2 研究内容24
• 1.4.3 创新点24-26
• 第二章 实验部分26-30
• 2.1 实验试剂与仪器26-27
• 2.1.1 实验试剂26
• 2.1.2 实验仪器和设备26-27
• 2.2 表征与测试27-29
• 2.2.1 电导率的测定27
• 2.2.2 含水率的测定27
• 2.2.3 离子交换容量的测定27-28
• 2.2.4 机械性能的测定28
• 2.2.5 红外光谱分析(FTIR)28
• 2.2.6 扫描电镜分析(SEM)28-29
• 2.2.7 热重分析(TGA)29
• 2.3 膜电极(MEA)制备及单电池性能测试29-30
• 第三章 Chitosan/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜的制备及燃料电池应用研究30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 实验步骤30-31
• 3.2.1 Chitosan/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜的制备30-31
• 3.2.2 Chitosan/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜的性能表征31
• 3.2.3 膜电极(MEA)制备及单电池性能测试31
• 3.3 结果与讨论31-40
• 3.3.1 红外光谱表征31-32
• 3.3.2 场发射扫描电镜分析32-33
• 3.3.3 电导率和含水率33-34
• 3.3.4 离子交换容量(IEC)34-35
• 3.3.5 温度与电导率的关系35-36
• 3.3.6 稳定性36-39
• 3.3.7 单电池性能测试39-40
• 3.4 本章小结40-42
• 第四章 GO掺杂型Chitosan/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜的制备及燃料电池应用研究42-52
• 4.1 引言42
• 4.2 实验步骤42-43
• 4.2.1 GO掺杂型Chitosan/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜的制备42-43
• 4.2.2 GO掺杂型Chitosan/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜的性能表征43
• 4.2.3 膜电极制备及单电池性能测试43
• 4.3 结果与讨论43-50
• 4.3.1 红外光谱表征43-44
• 4.3.2 场发射扫描电镜分析44-45
• 4.3.3 电导率和含水率45-46
• 4.3.4 温度与电导率的关系46-48
• 4.3.5 稳定性48-50
• 4.3.6 单电池性能测试50
• 4.4 本章小结50-52
• 第五章 Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜的制备及燃料电池应用研究52-59
• 5.1 引言52
• 5.2 实验步骤52-53
• 5.2.1 Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜的制备52-53
• 5.2.2 Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP碱性阴离子交换复合膜的表征53
• 5.2.3 膜电极制备及单电池性能测试53
• 5.3 结果与讨论53-58
• 5.3.1 红外光谱表征53-54
• 5.3.2 电导率和含水率54-55
• 5.3.3 机械稳定性55
• 5.3.4 热稳定性55-56
• 5.3.5 氧化稳定性56-57
• 5.3.6 单电池性能测试57-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第六章 总结和展望59-61
• 6.1 总结59-60
• 6.2 展望60-61
• 参考文献61-69
• 附录一 缩写及符号说明69-70
• 攻读硕士学位期间的主要科研成果70-72
• 致谢72

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本文编号：595569