高支化侧链接枝型阴离子交换膜的制备与性能

摘要

碱性阴离子交换膜燃料电池（AAEMFCs）具有氧还原过电位低，可用非贵金属催化剂，燃料渗透率低等优点，在燃料电池领域受到了广泛关注。作为AAEMFCs的电解质，阴离子交换膜（AEM）在电池内中的作用是将阴阳两极分隔开，同时传输氢氧根离子，其性能直接影响着电池的输出功率和使用寿命。然而，目前AEM的发展主要存在电导率低、稳定性差两大问题。基于此，本文设计合成了高度支化侧链接枝型AEM，该结构可增大膜内自由体积，增强膜的“储水”能力，降低离子传输阻力，所制备的膜具有较高的电导率和增强的稳定性。
　　本研究主要内容包括：⑴高度支化对氯甲基苯乙烯（CMS）侧链接枝型聚砜阴离子交换膜（ImOH-HBPSf）的制备及其性能。为提高膜的电导率，利用原子转移自由基聚合（ATRP）反应，选用低氯甲基化程度（DCM=70%）的氯甲基化聚砜（CMPSf）为大分子引发剂引发CMS聚合，制备了一系列低接枝密度且含有不同体积侧链的ImOH-HBPSf膜。大体积的支化型侧链的引入增大了膜内的自由体积，所制备的膜与不含支化侧链的膜相比，电导率增大了约三倍(31 vs.11 mS cm-1,30℃），在低接枝密度条件下，ImOH-HBPSf膜表现出较好的尺寸稳定性和耐碱性能。⑵交替共聚支化侧链接枝型聚砜阴离子交换膜的制备及性能。在上一个研究的基础上，为了进一步增大膜内自由体积，提高膜的电导率和稳定性，利用ATRP反应，选用CMPSf（DCM=70%）为大分子引发剂引发CMS和丙烯腈两种单体聚合，合成了交替共聚支化侧链接枝型聚砜（AC-HBPSf）。随后通过季胺化、碱化，制备了非交联型和交联型阴离子交换膜（ImAC-HBPSf-OH和CrAC-HBPSf-OH）。交替共聚支化侧链结构使得膜内的自由体积被进一步增大，在与第一个实验相当的IEC值(2.07 mmol/g)下，ImAC-HBPSf-OH的膜的最大吸水率增加到216%；为进一步增强膜的机械强度，在支化链内引入交联结构制备了交联型CrAC-HBPSf-OH膜。所制备的膜具有高吸水-低溶胀的性能，机械强度也得到增强；此外，离子浓度的增大和膜内丰富的自由体积使得CrAC-HBPSf-OH膜具有较高的电导率（36mScm-1,30℃）。支化末端处氢氧根离子的稀释效应和支化链的体积位阻屏蔽效应，使得膜的耐碱性也得到增强。

目录

声明

引言

1.1 燃料电池

1.2 碱性阴离子交换膜燃料电池（AAEMFCs）简介

1.2.1 阴离子交换膜燃料电池的工作原理

1.2.2 AEM的离子传导机理和性能要求

1.3 阴离子交换膜的研究进展

1.3.1 主链型阴离子交换膜

1.3.2 嵌段型阴离子交换膜

1.3.3 侧链接枝型阴离子交换膜

1.4 选题意义及本论文的研究内容

2 支化侧链接枝型阴离子交换膜（ImOH-HBPSf）的制备及性能

2.1 实验部分

2.1.1 实验原料及试剂

2.1.2 氯甲基化聚砜（CMPSf）的合成

2.1.3 支化侧链接枝型聚砜（HBPSf）的合成

2.1.4 ImOH-HBPSf膜的制备

2.1.5 实验仪器及测试方法

2.2 ImOH-HBPSf膜的结构表征

2.2.1 CMPSf和HBPSf的核磁谱图

2.2.2 ImCl-PSf和ImCl-HBPSf的核磁谱图

2.3 支化侧链接枝聚砜阴离子交换膜（ImOH-HBPSf）的性能

2.3.1 ImOH-HBPSf膜的离子交换容量、吸水率和溶胀率

2.3.2 ImOH-HBPSf膜的自由体积和微相分离

2.3.3 ImOH-HBPSf膜的离子传导率

2.3.4 ImOH-HBPSf膜的机械性能

2.3.5 ImOH-HBPSf膜的热稳定性

2.3.6 ImOH-HBPSf膜的碱稳定性

2.4 本章小结

3 交替共聚支化侧链接枝型阴离子交换膜的制备及性能

3.1 实验部分

3.1.1 实验原料及试剂

3.1.2 氯甲基化聚砜（CMPSf）的合成

3.1.3 支化侧链接枝型聚砜（AC-HBPSf）的合成

3.1.4 ImAC-HBPSf-OH膜的制备

3.1.5 交联型CrAC-HBPSf-OH膜的制备

3.1.6 实验仪器及测试方法

3.2 交替共聚支化侧链接枝膜的结构表征

3.2.1 AC-HBPSf的合成和结构表征

3.2.2 ImCl-HBPSf和CrAC-HBPSf-Cl的核磁谱图

3.3 支化侧链接枝阴离子交换膜（ImAC-HBPSf-OH）的性能

3.3.1 ImAC-HBPSf-OH膜的离子交换容量、吸水率和溶胀率

3.3.2 ImAC-HBPSf-OH 膜的电导率

3.4 交联型支化侧链接枝阴离子交换膜（CrAC-HBPSf-OH）的性能

3.4.1 CrAC-HBPSf-OH膜的离子交换容量、吸水率和溶胀率

3.4.2 CrAC-HBPSf-OH膜的自由体积

3.4.3 CrAC-HBPSf-OH膜的电导率

3.4.4 CrAC-HBPSf-OH膜的机械稳定性

3.4.5 CrAC-HBPSf-OH膜的热稳定性

3.4.6 CrAC-HBPSf-OH膜的碱稳定性

3.5 本章小结

结论

论文创新点及展望

创新点

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢