基于新型聚芳醚砜的碱性燃料电池隔膜的合成及性能研究

摘要

燃料电池近来逐渐成为研究的热点，尤其是成本低廉的碱性燃料电池(AMFCs)近来备受关注。但是作为核心部件的阴离子交换膜，在导电性能与力学性能方面与实际应用的要求还有一定的差距。本论文主要致力于研发新型的带有两个官能团的单体，再通过分子设计的方法制备出不同种类的阴离子聚合物膜，期望能同时获得较高的离子电导率和较好的力学稳定性。
　　首先以联苯、多聚甲醛和吗啡啉为原料，利用曼尼希反应合成了3,3'-二吗啡啉甲基-4,4'-二羟基二联苯单体，简称DMPBP。再以单体DMPBP与双酚A和4,4'-二氟二苯砜进行缩聚反应，合成出 DMPBP含量不同的无规共聚物（PESTN-X，X为单体DMPBP占总的含羟基单体的摩尔百分比），然后再与碘甲烷（CH3I）反应得到季铵化产物（PESQNI-X），最后铺膜碱化，得到无规共聚物膜（PESQNOH-X）。核磁氢谱表明，合成了目标单体和目标聚合物。膜的性能测试结果表明，无规共聚物膜的离子交换容量和电导率都很高，但温度升高，吸水率急剧增加，机械强度下降，难以应用。
　　在论文第二部分，通过分子设计方法合成了一种嵌段聚合物。首先以单体DMPBP和4,4'-二氟二苯砜为原料合成了聚合度（DP）为4的低聚物，简称BDMPBP，再用此低聚物与双酚A和4,4'-二氟二苯砜进行缩聚反应，合成一系列比例不同的嵌段聚合物BPESTN-X（X为低聚物BDMPBP占总含氟单体的摩尔百分比），经过季铵化反应得到聚合物BPESQNI-X，最后碱化得到嵌段聚合物BPESQNOH-X。BPESQNOH-X膜具有好的力学稳定性，耐碱稳定性强于无规共聚物而且还可以保持高的离子电导率。例如离子交换容量数值最高（2.21 mmol/g）的BPESQNOH-60膜温度为20 oC时，离子电导率达到了4.32×10-2 S/cm，此时的吸水率为33％；在80 oC时，离子电导率达到了5.32×10-2 S/cm，此时的吸水率仅为40%。结果表明，嵌段聚合物在碱性燃料电池的应用方面比无规聚合物更有潜力。通过分子设计方法合成的嵌段型的聚合物与无规共聚物相比有更明显的亲水区域（聚集在聚合物的侧链）和疏水区域（聚集在聚合物的主链），正是因为这种内部的相分离结构的作用，有利于在膜内形成连续的离子传输通道。

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符号说明注释表

第一章 前言

1.1 燃料电池

1.2 聚合物电解质燃料电池的分类

1.3 碱性阴离子交换膜（AEM）

1.4 阴离子交换膜（AEM）的研究近况

1.5 本论文的选题意义以及研究内容

第二章 实验材料与性能测试的方法

2.1 实验设备及实验材料

2.2 膜的表征及性能测试

第三章 含单体DMPBP的无规聚芳醚砜类阴离子交换膜

3.1 引言

3.2 单体DMPBP的合成及表征

3.3 含单体DMPBP的无规聚芳醚砜的制备与季铵化

3.4 无规聚合物的性能研究

3.5 小结

第四章 含低聚物BDMPDP的嵌段聚芳醚砜类阴离子交换膜

4.1 引言

4.2 低聚物BDMPBP的合成及结构表征

4.3 含BDMPBP的嵌段聚芳醚砜的制备与季铵化

4.4 嵌段聚合物的性能研究

4.5 小结

第五章 结论

参考文献

附图

个人简历

致谢