功能化rGO交联聚醚砜基阴离子交换膜的制备及性能研究

发布时间：2020-11-04 21:19

　　 近年来,阴离子交换膜(AEMs)的研究备受关注,同时取得了一系列重要进展。AEMs可应用于电化学存储装置和能量转换系统,如燃料电池、氧化还原流电池和电渗析装置。但是,AEMs在碱性条件下仍存在离子导电率低、化学稳定性差等一系列问题,严重阻碍了实际应用中阴离子交换膜燃料电池的发展。在阴离子交换膜中引入更多的离子导电基团可以提高离子交换能力(IEC),进一步克服AEMs离子电导率低的缺点。然而,过高的IEC值会引起AEMs过度膨胀从而降低膜的尺寸稳定性。在AEMs中构筑交联结构是平衡尺寸稳定性和离子电导率之间常用的方法。无机填料在阴离子电导率、力学性能、耐碱性等性能方面对复合膜材料的性能有显著影响。因此,AEMs的结构设计和性能研究十分重要。本论文希望结合无机填料的优点和交联策略构筑新型性能优异的阴离子交换膜,具体包括以下两个部分内容:一、以不同链长小分子功能化还原氧化石墨烯(rGO)作为交联剂,制备了具有高离子电导率的季铵盐化聚醚砜(QPSU)基AEMs(CQPSU-X-rGO)。同时制备了以有机小分子为交联剂的QPSU-AEMs作为对照样品。与短链交联剂交联的AEMs相比,柔性长链交联剂(PTMHDA)及其修饰的rGO(LrGO)交联膜具有更高的离子电导率,这主要归因于更多季铵盐离子导电基团的引入和微相分离结构造成的。特别是与小分子交联的聚合物膜(T-CQPSU-N和P-CQPSU-N)相比,功能化rGO交联复合膜(CQPSU-X-LrGO和CQPSU-X-SrGO)具有更好的离子电导率和化学稳定性。高的离子电导率应归因于在交联过程中IEC值的增加和均匀纳米相分离结构的形成(80 ~oC时CQPSU-2%-LrGO,σ~-_(OH)=139.7 mS/cm)。因此,功能化rGO被证明是一种潜在的交联剂和填料,可以用于改善AEMs的性能。二、提出了一种简便的方法来构筑改性rGO交联的聚醚砜基AEMs。首先我们利用含芘的叔胺小分子和聚合物通过π-π作用对rGO进行了非共价修饰,然后以功能化rGO(TrGO和PrGO)作为交联剂和填充剂制备了聚醚砜基AEMs(CQPSU-X-TrGO和CQPSU-X-PrGO)。结果表明交联可以使膜的内部填充结构更加紧密,增强阴离子交换膜的耐碱性、离子电导率和氧化稳定性。此外,与小分子功能化rGO交联的CQPSU-X-TrGO系列膜相比,聚合物功能化rGO交联的CQPSU-X-PrGO系列膜的亲水性和柔韧性有了显著提高。在80 ~oC时PrGO交联膜的离子导电率(CQPSU-2%-PrGO,σ~-_(OH)=117.7 mS cm~(-1))高于TrGO交联膜(CQPSU-1%-TrGO,σ~-_(OH)=87.2 ms/cm)。通过透射电镜可以观察到CQPSU-X-PrGO膜内具有纳米相分离结构。该方法可以有效地制备出化学稳定性好、离子导电率高的新型交联有机-无机纳米杂化AEMs。
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ425.236
【部分图文】：

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东北师范大学硕士学位论文3.3.5.离子电导率在AEMs中离子电导率起着重要的作用，它受许多因素的影响，包括导电基团的结构和数量[63]、微相结构[130]和吸水率[138]等。在AEMs中，高的吸水率意味着高的离子电导率。如上文中所述，我们制备的交联AEMs具有的高吸水率来源于交联过程中产生的季铵盐基团在增加了IEC值的同时，膜内还形成了良好的微相分离，这导致交联AEMs的氢氧化物电导率高于纯QPSU膜(见表2和2.4)。

Fig. 3.11H NMR spectra of PSU (a) and CMPSU (b).剂的表征MAEMA 和 PHMDA 的核磁氢谱3.2b 是 PTMHDA 的核磁氢谱。在 5.62 ppm 处可以观察到接枝p，表明 PTMHDA 已经由 TMHDA和 1-溴甲基芘成功地制备。Fig. 3.21H NMR spectra of QPSU (a) and PTMHDA (b).
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本文编号：2870622