含强极性氰基阴离子交换膜的制备及性能研究

摘要

阴离子交换膜燃料电池HEMFCs，由于其成本低且耐久性好的潜能，受到大家愈来愈多的关注。阴离子交换膜AEM作为其核心部件之一，可使用非贵重金属催化剂，可提高燃料反应动力学速率，可减少燃料泄露提高安全性及燃料利用率。但由于其弱稳定性，一定程度阻碍了HEMFC的应用。因此，以含强极性氰基的2，6-二氟苯腈DFBN为核心单体，合成聚合物聚苯醚腈PEN和聚芳醚腈PAN，制备了PEN-ImOH、PEN-MmOH和PAN-MmOH膜并对比分析其性能，结合密度泛函理论，进一步理论证明了氰基与侧链阳离子基团的作用力提高了膜的碱性稳定性。
　　本研究首先通过双酚A与DFBN缩聚合成PEN，再通过经典的氯甲基化、咪唑鎓化制备PEN-ImOH膜并研究其性能。与商业化聚砜PSf材料制备的PSf-ImOH膜相比，此类似结构的聚合物主链PEN比PSf更稳定。PEN-ImOH膜，电导率高78%，溶胀率降低59%，碱稳提高11%。其次，以更稳定的PEN为主链，N-甲基吗啡啉为官能团，制备PEN-MmOH膜，与PEN-ImOH膜对比，非共轭的杂环吗啡啉官能团比咪唑更稳定。PEN-MmOH比PEN-ImOH膜，电导率高84%，溶胀率低64%，碱稳提高大于25%。并且，运用密度泛函理论，探究了氰基与阳离子基团的作用力，可减小水合膜中官能团周围的自由体积，控制AEM的溶胀度，缩小OH-的进攻空间；且氰基提高了官能团的LUMO能，进而改善膜的碱稳，与实验分析结果一致。为进一步提高含强极性氰基AEMs的电导率，以DFBN为主体无规共聚合成PANs，引入高活性的间二苯酚（0~100%）和具有一定空间位阻的叔丁基氢醌TBHQ，高活性酚为功能基团提供离醚氧键更远的接入位点（PEN功能化膜在醚氧键邻位）为亲水段，TBHQ为疏水段。选间二苯酚含量60%的PAN，经吗啡啉功能化后得PAN-MmOH膜，与PEN-MmOH膜比，电导率提高214%，碱稳高9.7%。可能是引入亲疏水段，使膜内形成了微相分离和更加连通的离子通道，且功能基团离醚氧键更远，使膜的电导率和碱稳进一步提高。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 阴离子交换膜燃料电池HEMFCs

1.2 阴离子交换膜

1.3 阴离子交换膜研究进展

1.4 论文立题依据与研究内容

2 聚苯醚腈咪唑鎓化PEN-ImOH膜的制备及研究

2.1 实验部分

2.2 1H NMR 及 FT-IR测试确定PEN/CMPEN/PEN-ImCl结构

2.3 PEN-ImOH膜的性能

2.4 PEN-ImOH膜与PSf-ImOH膜的性能对比分析

2.5 本章小结

3 聚苯醚腈吗啡啉功能化PEN-MmOH膜的制备与分析

3.1 实验部分

3.2 1H NMR及FT-IR测试确定PEN/CMPEN/PEN-MmCl结构

3.3 PEN-MmOH膜的性能

3.4 PEN-MmOH膜与PEN-ImOH膜的性能对比

3.5 计算氰基对PEN-MmOH膜与PEN-ImOH膜碱稳的影响

3.6 本章小结

4 聚芳醚腈吗啡啉功能化PAN-MmOH膜的制备和研究

4.1 实验

4.2 PAN/CMPAN/PAN-MmCl结构的确定

4.3 PAN-ImOH膜的性能

4.4 PAN-MmOH膜与PAN-MmOH膜的性能对比

4.5 本章小结

结论

创新点与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢