非共面嵌段阴离子膜及电极粘结剂制备和表征

摘要

碱性阴离子交换膜燃料电池（AAEMFC）具有可用非贵金属催化剂等诸多优势，使它可能成为下一代能源技术。然而阴离子交换膜（AEM）电导率低、稳定性差以及氢氧根传导型电极粘结剂（HCB）在低沸点绿色溶剂中的溶解度不足问题限制了该电池的实际应用，因此对于高性能AEM及HCB的研究近年来成为AEMFC领域的热点和难点。本论文针对以上问题展开以下三个方面的研究：
　　1.制备了NCHP-Im（非共面结构）及CBP-Im（嵌段结构）两种新型阴离子交换膜（Im代表咪唑正离子），重点考察了它们微观形貌对OH-电导率的影响。研究发现，非共面效应显著增加膜的自由体积，并促进离子簇形成，使得氢氧根离子迁移更容易；嵌段结构显著增进膜的亲疏水相分离，促进离子簇形成，使膜的氢氧根离子传导率提升。常温下，NCHP-Im及CBP-Im在较低离子交换容量（IEC，1.25mmol/g）下氢氧根电导率分别为21mS/cm和28mS/cm，而膜的溶胀率仅为13.3%和5.63%。
　　2.在膜材料中同时引入弯曲扭曲非共面单元及嵌段结构，制备新型阴离子膜（NCBP-Im）。该膜在常温低IEC（1.25mmol/g）条件下的电导率达到35mS/cm，溶胀率仅为4.56%，70℃时的电导率为70mS/cm；采用NCBP-Im膜的氢/氧燃料电池在50℃下可获得262mW cm-2的功率密度，电池的开路电压为1.07V。这些性能表明，NCBP-Im膜在AEMFC中具有一定的应用前景。
　　3.在上述非共面结构基础上引入一种新型半柔性链段，制备HCB，探究半柔性链段长度对HCB在不同低沸点绿色溶剂中溶解度的影响。所制备的含六个亚甲基（6C）柔性链段的HCB在常温低IEC（1.43mmol/g）时电导率达到45mS/cm，溶胀率仅为10.12%，在甲酸乙酯中溶解度可达74%（mHCB/V溶剂）。这些性能使其有望应用在碱性燃料电池中。
　　综上，本论文设计制备了弯曲扭曲非共面嵌段型AEM，验证了非共面结构产生的自由体积对离子传导和微相分离的促进作用，并在此基础上合成得到了低沸点溶剂可溶性HCB。本论文为促进AEM的低离子高性能化以及HCB的开发提供了新的思路，对AEMFC的发展具有重要意义。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 燃料电池（FC）

1.2 碱性阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）

1.3 阴离子交换膜（AEM）

1.4 氢氧根传导型电极粘结剂（HCB）

2 非共面均聚物AEM和嵌段共聚AEM的制备及表征

2.1 实验部分

2.2 结构分析

2.3 形貌分析

2.4 膜性能分析

2.5 本章小结

3 弯曲扭曲非共面嵌段结构的AEM制备及表征

3.1 实验部分

3.2 结构分析

3.3 形貌分析

3.4 膜性能分析

3.5 化学稳定性

3.6 本章小结

4 可溶于低沸点绿色溶剂电极粘结剂的制备及研究

4.1 实验部分

4.2 结构分析

4.3 树脂的溶解性研究

4.4 树脂其他相关性能分析

4.5 本章小结

结论

创新点及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢