PDDA/季铵化壳聚糖交联共混阴离子交换膜的制备与性能研究

摘要

碱性阴离子交换膜燃料电池（AAEMFCs）因允许使用镍、银、钴等非贵重金属为催化剂，极大地降低生产成本，且OH-传导方向与燃料渗漏方向相反，可缓解燃料渗漏现象等优点逐渐被研究者们重视。针对目前碱性阴离子交换膜（AEMs）研究过程中存在的两个主要问题：①离子电导率低；②力学性能、化学稳定性较差，本文以壳聚糖（CS）为原料，2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（GTMAC）为离子传导单元制备了两种不同的阴离子交换膜，具体内容如下： (1)GTMAC通过环氧开环反应接枝在CS侧链上，然后通过环氧开环反应将KH560也键合到CS侧链上，最后通过溶胶-凝胶工艺制备不同交联比例的季铵化壳聚糖阴离子交换膜。FTIR结果显示GTMAC接枝成功，且KH560成功水解缩合，形成Si-O-Si三维网状结构。XRD测试表明所制备的膜为非晶态结构。同时该膜具有良好的热稳定性，在200℃以内能稳定存在。SEM结果表明膜微观结构均匀致密，没有相分离现象。IEC值随交联剂用量增加而发生的变化不大，吸水率分析表明交联剂的加入可有效控制膜的吸水溶胀。离子电导率随交联剂用量的增加而逐渐降低，80℃下膜离子电导率可达到12.8mS/cm，有一定的使用价值。耐碱性测试结果显示浸泡在8mol/LKOH溶液中360h后，膜的电导率为6.3mS/cm，交联剂的加入有利于提高所制备膜的化学稳定性。 (2)首先将GTMAC通过环氧开环方式接枝在CS侧链上，然后掺杂PDDA后机械共混形成均相体系，最后通过溶胶-凝胶工艺制备不同PDDA掺杂含量的PDDA/季铵化壳聚糖阴离子交换膜。FTIR测试结果表明PDDA成功掺杂进入体系。XRD表明膜结构都是非晶态的。SEM结果可知随着PDDA掺杂量的增加，膜内部结构越来越疏松，最后出现明显的相分离现象，机械性能测试结果同时也佐证了相分离现象的存在，随着PDDA掺杂量的增加，拉伸强度先增加后急剧下降。TG测试结果表明所制备的阴离子交换膜在200℃以内都有良好的热稳定性，可满足实际的使用需求。IEC和吸水率测试分析表明随着PDDA含量的增加而增加。离子电导率测试结果显示PDDA的掺杂能有效地提高膜的离子电导率，80℃下膜的离子电导率可达到37.9mS/cm，表现出良好的离子电导率性能。耐碱性测试分析表明因PDDA中五元环结构的存在可形成的较大空间位阻，PDDA的掺杂能提高阴离子交换膜的化学稳定性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 燃料电池

1.1.1 燃料电池概述

1.1.2 燃料电池的分类及应用

1.2 聚合物电解质燃料电池的分类

1.2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理

1.2.2 质子交换膜燃料电池的缺点

1.2.3 碱性阴离子交换摸的工作原理

1.2.4 阴离子交换膜燃料电池的优点

1.3 用于碱性燃料电池的阴离子交换膜的制备及研究进展

1.3.1 碱性功能基团的影响

1.3.2 聚合物结构的影响

1.4 论文的研究思路和研究内容

第2章 交联季铵化壳聚糖阴离子交换膜的制备及性能研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂与仪器

2.2.2 实验原理

2.2.3 实验步骤

2.2.4季铵化壳聚糖取代度（Degree of Quaternization, DQ）的测定

2.2.5 交联季铵化壳聚糖膜的制备

2.3 性能表征

2.3.1 傅里叶变换红外光谱测试（FTIR）

2.3.2 X射线衍射分析（XRD）

2.3.3 扫描电子显微镜测试（SEM）

2.3.4 综合热性能分析（TG-DSC）

2.3.5离子交换容量测试（Ion Exchange Capacity，IEC）

2.3.6 机械性能测试分析

2.3.7 含水率测试分析

2.3.8 离子电导率测试

2.3.9 离子传导活化能测试

2.3.10 耐碱性测试分析

2.4 结果与讨论

2.4.1 傅里叶变换红外光谱测试分析

2.4.2 X射线衍射测试分析

2.4.3 扫描电子显微镜测试分析

2.4.4 综合热性能测试分析

2.4.5 离子交换容量测试分析

2.4.6 机械性能测试分析

2.4.7 含水率测试分析

2.4.8 离子电导率测试分析

2.4.9 离子传导活化能测试分析

2.4.10 阴离子交换膜耐碱性测试分析

2.5 本章小结

第3章 PDDA/季铵化壳聚糖阴离子交换膜的制备及性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂与仪器

3.2.2 实验原理

3.2.3 实验步骤

3.3 性能表征

3.3.1 傅里叶变换红外光谱仪测试（FTIR）

3.3.2 X射线衍射测试（XRD）

3.3.3扫描电镜测试（SEM）

3.3.4 热重-差示扫描量热测试（TG-DSC）

3.3.5 离子交换容量测试（IEC）

3.3.6机械性能测试

3.3.7 吸水率测试（WU）

3.3.8 离子电导率测试

3.3.9 离子传导活化能测试

3.3.10 耐碱性测试

3.4 结果与讨论

3.4.1 傅里叶变换红外光谱仪测试分析

3.4.2 X射线衍射测试分析

3.4.3 扫描电子显微镜测试分析

3.4.4 热稳定性和机械性能测试分析

3.4.5 离子交换容量（IEC）和吸水率（WU）测试分析

3.4.6 离子电导率测试分析

3.4.7 离子传导活化能测试分析

3.4.8 阴离子交换膜耐碱性测试分析

3.5 本章小结

第四章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间所发表的论文及专利