LTA沸石/磺化聚醚醚酮复合质子交换膜的制备与研究

摘要

直接甲醇燃料电池是目前应用最广泛的燃料电池，但是其发展却面临着两大技术难题：一是应用最广泛的全氟磺酸膜价格较高并且甲醇渗透较为严重；二是阳极催化剂即贵金属铂价格昂贵，而且对于催化甲醇反应的活性较低。因此开发出成本低、性能高的质子交换膜是势在必行的一个重要研究课题。本论文正是立足于现实条件并朝此方向进行的努力探索和尝试。
　　聚醚醚酮因具有性能优良，价格低廉的特点而有望成为传统全氟磺酸质子交换膜的理想替代品。其磺化物即磺化聚醚醚酮（SPEEK），具有质子电导率较高，机械强度和热稳定性良好的特点。在此过程中高电导率要求磺化聚醚醚酮具有较高的磺化度，但是磺化度越高膜的尺寸稳定性就越低。为了解决这个矛盾，本课题对 SPEEK进行了改性，而掺杂是对物质进行改性的常用方法。本论文中使用的即是无机—有机直接掺杂的改性方法。
　　本文使用水热合成法制备用于掺杂改性的无机物—LTA沸石，并且通过改变反应条件来控制沸石颗粒的尺寸；对聚醚醚酮进行磺化，得到磺化聚醚醚酮—SPEEK，然后将制备的LTA沸石直接掺杂进膜溶液中制备复合质子交换膜；最终检测膜的各种性能，包括吸水率，溶胀率，甲醇渗透性，离子交换容量以及质子电导率等。
　　制备出不同晶粒度（500～700nm、200～300nm以及~90nm）的LTA沸石，并且尺寸均匀，稳定。制备了沸石质量百分数分别为2.5％、5%、7.5%以及10%的复合质子交换膜，并且测试了复合膜的各种性能。研究表明：无机掺杂物会与磺化聚醚醚酮之间发生氢键作用，因而复合膜的溶胀会得到有效的抑制，使复合膜拥有较好的尺寸稳定性。另外膜阻醇性能得到明显提高，其甲醇渗透系数最小可达1.90?10-7 cm2S-1，明显小于Nafion115；质子电导率也得到很大的提高，其最大值可达138.7 mS·cm-1，并且计算得到选择性最大值为7.11?105 S·s·cm-3。

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第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 燃料电池简介及其发展进程

1.3 燃料电池的分类

1.4 质子交换膜燃料电池

1.5 PEM的国内外研究现状

1.6 沸石的简介

1.7 本课题的主要研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验药品

2.2 实验器材

2.3 表征方法

2.4 复合膜的性能测试

2.5 水热合成法制备亚微米级LTA沸石

2.6 磺化聚醚醚酮（SPEEK）的制备

2.7 复合质子交换膜的制备

第3章 沸石的合成表征与结果分析

3.1 LTA沸石的表征以及结果分析

3.2 亚微米沸石最佳合成条件的确定以及表征

3.3 深亚微米级LTA表征以及结果分析

3.4 两样品的FT-IR分析对比

3.5 两样品的EDS分析对比

3.6 样品的热稳定性分析

3.7 本章小结

第4章 复合质子交换膜的结果分析

4.1 SPEEK的FTIR表征与分析

4.2 复合质子交换膜的EDS表征及结果分析

4.3 复合质子交换膜的FT-IR结果分析

4.4 复合质子交换膜的TGA/DSC结果分析

4.5 复合膜性能的结果与分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢