聚苯醚基有机无机杂化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（AEMFC）是一种高效、环保的能源转换装置，因其具有氧化速率快和可使用非昂贵的金属材料作为催化剂等优点而被广泛研究。其中，阴离子交换膜（AEM）作为AEMFC的核心组成部分，其性能的优劣直接影响着AEMFC的使用性能与寿命。目前大部分的阴离子交换膜都存在离子电导率较低和耐碱性能较差的两大缺陷，无法满足在高温高碱条件下的使用要求。因此，为了制备一种具有较高离子电导率和耐碱性能的阴离子交换膜是本文的主要研究内容。本文以1,2-二甲基咪唑（DIM）为离子传导单元，制备了两种不同基于咪唑化聚苯醚的阴离子交换膜，并对其性能进行测试和表征，具体内容如下： (1)咪唑化聚苯醚有机/无机阴离子交换膜。以聚苯醚为原料，经溴化、部分羟基化和咪唑化反应后，将GPTMS环氧开环接枝在分子主链上，通过溶胶-凝胶法制备不同无机含量的阴离子交换膜。1H NMR和FTIR测试表明化学反应的成功，硅氧烷的成功水解和交联。XRD分析可知所制备的阴离子交换膜均为非晶态结构。SEM结果显示膜的微观结构十分致密且均匀，无相分离或孔洞出现。TG分析可知所制备的阴离子交换膜在190℃前的热稳定性优异，同时也具备优异的机械性能和尺寸稳定性。该膜的IEC和离子电导率均随着无机含量的增加而先增大后减小，IEC最高可达2.63mmol·g-1，在80℃时离子电导率最高可达0.036S·cm-1。在60℃、2mol·L-1氢氧化钠溶液中浸泡10天后，膜的离子电导率仍能保持在0.0218S·cm-1，表现出较好的耐碱性能。 (2)聚乙烯醇改性咪唑化聚苯醚阴离子交换膜。通过化学反应将不同比例聚乙烯醇化学键合到(1)体系中，采用溶液浇注法制备相应的阴离子交换膜。FTIR和XRD测试表明聚乙烯醇以化学键的形式成功交联在分子链中，聚乙烯醇的加入对Si-O-Si的形成无影响。SEM分析可知改性后的膜具有均一的微观结构。TG-DSC曲线可得，该膜的热稳定性能得到明显地提高。离子电导率测试表明，该膜离子电导率均随着聚乙烯醇含量的增加而减小，随着温度的升高而增大。在相同环境下，聚乙烯醇改性后阴离子交换膜离子电导率的下降率可减少6%，表明其耐碱性能得到一定提升，可以满足高温高碱环境下燃料电池的运行要求。

目录

声明

第1章 绪论

1.1燃料电池

1.1.1燃料电池的概述

1.1.2燃料电池的分类及应用

1.2质子交换膜燃料电池

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优缺点

1.2.3质子交换膜的性能要求

1.3碱性阴离子交换膜燃料电池

1.3.1碱性阴离子交换膜燃料电池的工作原理

1.3.2碱性阴离子交换膜燃料电池的优缺点

1.3.3阴离子交换膜的性能要求

1.4阴离子交换膜的研究进展

1.4.1聚砜类阴离子交换膜

1.4.2聚酮类阴离子交换膜

1.4.3壳聚糖类阴离子交换膜

1.4.4聚乙烯醇类阴离子交换膜

1.4.5聚苯醚类阴离子交换膜

1.5本论文的研究意义和研究内容

第2章 咪唑化聚苯醚有机/无机阴离子交换膜的制备与性能研究

2.1引言

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

2.3性能表征

2.3.1核磁共振测试

2.3.2傅里叶变换红外光谱测试

2.3.3 X射线衍射测试

2.3.4热重测试

2.3.5场发射扫描电子显微镜测试

2.3.6机械性能测试

2.3.7离子交换容量测试

2.3.8吸水率和溶胀度测试

2.3.9离子电导率和离子传导活化能测试

2.3.10耐碱性能测试

2.4结果与讨论

2.4.1核磁共振分析

2.4.2傅里叶变换红外光谱分析

2.4.3 X射线衍射分析

2.4.4热稳定性分析

2.4.5场发射扫描电子显微镜

2.4.6机械性能分析

2.4.7离子交换容量、吸水率和溶胀度分析

2.4.8离子电导率分析

2.4.9离子活化能分析

2.4.10耐碱性能分析

2.5本章小结

第3章 聚乙烯醇改性咪唑化聚苯醚阴离子交换膜的制备与性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验试剂与仪器

3.3.2实验原理

3.3.3实验步骤

3.3性能表征

3.3.1傅里叶变换红外光谱测试（FTIR）

3.3.2 X射线衍射测试（XRD）

3.3.3热重-差示扫描量热测试（TG-DSC）

3.3.4场发射扫描电子显微镜测试（SEM）

3.3.5机械性能测试

3.3.6离子交换容量测试

3.3.7吸水率和溶胀度测试

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耐碱性能测试

3.4结果与讨论

3.4.1傅里叶变换红外光谱分析

3.4.2 X射线衍射分析

3.4.3热稳定性分析

3.4.4场发射扫描电子显微镜

3.4.5机械性能分析

3.4.6离子交换容量、吸水率和溶胀度分析

3.4.7离子电导率分析

3.4.8离子传导活化能分析

3.4.9耐碱性能分析

3.5本章小结

第4章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间所发表的论文及专利