咪唑型阴离子交换膜的分子结构设计与性能研究

发布时间：2020-09-03 08:36

　　 燃料电池技术由于其高效的能量转换效率和清洁的运行环境,近年来吸引了学术界和工业界极大的研究兴趣。根据其运行环境,可将燃料电池分为质子交换膜燃料电池(PEMFC,运行环境为酸性)和阴离子交换膜燃料电池(AEMFC,运行环境为碱性)。相比于PEMFC,AEMFC具有更快的阴极氧还原反应动力学,并且能够使用非铂系金属催化剂(比如镍,铁等),是目前最有前景的商业化燃料电池技术之一。作为AEMFC的重要部件之一,阴离子交换膜(AEM)起到隔绝燃料,并传导水分子和阴离子(主要是OH-)的作用。然而,AEM发展到如今,仍有两个至关重要的科学问题没有解决。一是氢氧根离子的电导率。由于OH-的体积比H+大很多,导致自由状态下前者固有的离子迁移率比后者大很多,导致AEM的OH-电导率很难与PEM的质子电导率相比较。二是功能基团的化学稳定性。AEM中的功能基团带正电荷,具有很强的亲电性,在碱性环境下很容易受到亲核性OH-离子的进攻而发生降解。为了优化AEM的离子传导性和化学稳定性,我们对聚合物的分子结构进行了修饰,具体的研究工作如下:(1)我们在AEM连接两个咪唑的侧链中引入两个醚间隔键,利用原子力显微镜技术和动力学模拟证明醚间隔基有利于离子通道的形成,并且其独特的亲水性对离子通道内的水分子和水和氢氧根离子的传导都有促进作用。基于以上优点,侧链含醚的阴离子交换膜表现出更高的电导率,并且其单电池能量密度比对照组高了将近一倍。(2)咪唑功能基团由于其独特的五元环分子结构具有很强的分子可修饰性。我们在咪唑环上修饰了不同数目的甲基取代基,并将不同的咪唑基团通过门秀金反应接枝到溴化后的2,6-二甲基聚苯醚主链上制备不同功能基团的AEM。通过原位核磁监测聚合物在碱性条件下降解过程,我们发现咪唑环上C2-.C4-和C5-上的甲基能够减缓咪唑环的去质子化反应从而提升功能基团的碱稳定性。最终,1,2,4,5-四甲基咪唑功能化AEM的单电池能量密度随温度升高而稳定提升,并且在80 ℃时达到了340 mW cm-2。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM911.4;TQ425.236
【部分图文】：

图１．１．１燃料电池从诞生至２１世纪初期的重要发展里程碑逡逑转化成电能［２］。其设计理念由Ｓｉｒ邋Ｗｉｌｌｉａｍ邋Ｇｒｏｖｅ在１８３９年首次提出，经过一百逡逑多年的研究发展，如今在军工、日常生产生活等方面有重要的应用［３］。图１．１．１逡逑总结了邋ＦＣ发展历史中的几个重要过程。逡逑根据所用电解质材料以及相关操作条件的不同，ＦＣ通常可分为五种类型：逡逑ａ磷酸燃料电池（ＰＡＦＣ）。ＰＡＦＣ在很多国家是商业化最普遍的燃料电池

极材料和阴极材料。两种电极材料通过电子绝缘但离子传导性良好的聚合物膜电逡逑解质分隔开，这三个部件的集合体通常被称作膜电极。ＰＥＭＦＣ根据其工作机理逡逑可分为酸电池和碱电池。图１．邋２．邋１介绍了典型酸性和碱性ＰＥＭＦＣ的工作原理。逡逑ＰＥＭＦＣ逦ＡＥＭＦＣ逡逑Ｈ２Ａｉｒ邋州２＾邋＾＾ＬｉＡｉｒ邋＋Ｈ２０逡逑Ｈ２逦ＰＥＭ邋Ａｉｒ＋Ｈ２０邋Ｈ２＋Ｈ２０邋ＡＥＭ逦Ａｉｒ逡逑ｆ逦逦逦逡逑？邋Ｈ４逦＾ｔ－Ｍ：邋0逦ＯＨ－逡逑Ｖ，逦邋ｖ逡逑图１．２．１酸性（左边）和碱性（碱性）ＰＥＭＦＣ技术工作原理。逡逑３逡逑

极材料和阴极材料。两种电极材料通过电子绝缘但离子传导性良好的聚合物膜电逡逑解质分隔开，这三个部件的集合体通常被称作膜电极。ＰＥＭＦＣ根据其工作机理逡逑可分为酸电池和碱电池。图１．邋２．邋１介绍了典型酸性和碱性ＰＥＭＦＣ的工作原理。逡逑ＰＥＭＦＣ逦ＡＥＭＦＣ逡逑Ｈ２Ａｉｒ邋州２＾邋＾＾ＬｉＡｉｒ邋＋Ｈ２０逡逑Ｈ２逦ＰＥＭ邋Ａｉｒ＋Ｈ２０邋Ｈ２＋Ｈ２０邋ＡＥＭ逦Ａｉｒ逡逑ｆ逦逦逦逡逑？邋Ｈ４逦＾ｔ－Ｍ：邋0逦ＯＨ－逡逑Ｖ，逦邋ｖ逡逑图１．２．１酸性（左边）和碱性（碱性）ＰＥＭＦＣ技术工作原理。逡逑３逡逑

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本文编号：2811206