ZrP/Al2O3/PVA有机-无机复合质子交换膜的制备和表征

摘要

在能源危机日益凸显的今天，对新能源的开发和研究越来越受到各个国家的重视。燃料电池作为未来的新能源是近年来研究的热点，其中直接甲醇燃料电池（DMFC）由于燃料储存方便、清洁和高效等优点，非常适合作为移动和便携式电源设备。而质子交换膜（PEM）是直接甲醇燃料电池中的关键部分，目前首选的膜是全氟磺酸膜，例如杜邦的Nafion?膜。然而这种膜并没有广泛的应用到直接甲醇燃料电池（DMFC）中，因为该膜具有较高的甲醇渗透率，从而降低电池的性能。
　　本文以聚乙烯醇（PVA）作为基体，掺入纳米磷酸锆（ZrP）作为质子源；为了提高PVA和ZrP之间的界面连接性，加入铝溶胶作为绝缘分散剂；以戊二醛（G）作为交联剂对PVA进行交联，从而限制PVA因吸水而溶胀。最后，将混合液铺展在干净的玻璃基片上，55℃干燥成膜。另外这种单层的复合膜在溶液中浸泡时，内部掺杂的ZrP颗粒会从膜中渗漏出去，从而能降低膜的离子交换容量（IEC）值，不能保证膜的稳定性。因此本文首次提出多层质子交换膜概念，在原有单层膜外部包裹上一层阻挡层，形成一种新型的多层质子交换膜，我们称之为―三明治‖膜。将所制得的复合膜，分别使用X-射线衍射（XRD）进行物相分析，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析价键结构，扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌特征，加上差示扫描量热法（DSC）的热重分析（TGA）进行表征分析，并且采用滴定法测定离子交换容量（IEC），通过紫外可见分光光度计（UV-Vis）来测定甲醇浓度，从计算出甲醇渗透率；通过交流阻抗法来测定复合质子交换膜的质子导电率；利用万能试验机分析复合膜的机械性能。
　　结果表明：通过控制ZrP、铝溶胶，PVA和戊二醛的比例，确保混合液分散均匀，即可得到一个均匀紧凑的单层复合膜和多层复合膜，且合成的多层复合膜中，外层膜与中间层连接非常紧密，外阻挡层起到了很好地隔离作用，其 IEC值很稳定地保持在较高的位置（IEC值约为0.75 mequiv/g）。通过最佳比例的混合物制得的复合膜，ZrP均匀分布于聚合物基体中，适宜的交联程度很好地限制了过度溶胀并增强了机械性能，得到的IEC值可以媲美Nafion?。同时，无论是单层膜还是多层膜都表现出良好的阻醇性能。因此这种交联的PVA/ZrP/铝溶胶复合膜可以用于直接甲醇燃料电池（DMFC）。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究目的和意义

1.2燃料电池的介绍

1.3目前面临的问题

1.4质子交换膜的介绍

1.5本文研究的质子交换膜

1.6本文的主要研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验原料和设备

2.2材料的物理化学测试及表征

2.3 铝溶胶的制备和反应机理

2.4制备ZrP

第3章 复合质子交换膜的制备和表征

3.1合成复合质子交换膜

3.2聚乙烯醇（PVA）及其交联方法

3.3吸水率和溶胀率

3.4质子交换容量

3.5甲醇吸收率和甲醇透过率

3.6 质子电导率

3.7 拉伸测试

3.8 本章小结

第4章 ZrP粉末和复合膜的表征结果分析

4.1 ZrP粉末的XRD结果

4.2 ZrP粉末的SEM结果

4.3 ZrP粉末的热重分析

4.4 ZrP粉末的FT-IR

4.5 复合膜断面形貌分析

4.6 复合膜的XRD

4.7 质子交换容量（IEC）结果分析

4.8 吸水率和溶胀率

4.9 甲醇吸收率和甲醇渗透率结果分析

4.10 复合膜的FT-IR

4 .11 质子电导率结果分析

4.12 热重结果分析

4.13 机械性能测试结果

4.14 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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