苯并咪唑功能化聚砜阴离子交换膜制备及性能

摘要

碱性阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）具有氧化动力学高且不需贵金属作催化剂的特点，因此受到了人们越来越多的关注。碱性阴离子交换膜（AEM）是AEMFC的核心组件之一，其较低的离子传导率以及较差的碱稳定性严重阻碍了AEMFC的发展。苯并咪唑由于苯环的存在，其阳离子基团被认为具有较好的离域效应，因此具有潜在优秀的碱稳定性。本论文设计并合成三种苯环经供电取代基修饰的苯并咪唑，并引入聚砜主链制备阴离子交换膜，探究不同供电基团对膜碱稳定性的影响。此外，针对苯并咪唑阴离子交换膜传导率低的缺点，设计并合成N3位置含聚醚柔性长链的苯并咪唑并引入聚砜主链，希望通过柔性长支链形成连续通道，提升离子传导率。主要内容如下：
　　（1）将供电子基团引入苯并咪唑中，设计并合成了三种苯并咪唑衍生物，1,2-二甲基苯并咪唑，1,2,4,7-四甲基苯并咪唑和4,7-二甲氧基-1,2-二甲基苯并咪唑，并通过核磁谱图和红外光谱对其结构进行了准确表征。1,2,4,7-四甲基苯并咪唑和4,7-二甲氧基-1,2-二甲基苯并咪唑经硝化，还原，成环和取代最终合成，虽步骤较多，但反应条件温和。三种苯并咪唑的总产率分别为93%，21%和38%。
　　（2）将三种苯并咪唑分别与氯甲基化聚砜（CMPSf）反应制备阴离子交换膜PSf-1OH,PSf-2OH和PSf-3OH。将功能基团接枝度为120%的三种阴离子交换膜分别浸泡于80℃,1mol/L的KOH溶液中336h后，传导率分别下降23.7%，14.7%和9.2%，PSf-3OH膜展现出最好的碱稳定性。此外，本文用密度泛函理论（DFT）对三种离子传导基团进行模拟，LUMO轨道值的大小为[1-Bn]+<[2-Bn]+<[3-Bn]+，含有甲氧基的化合物3制备的阴离子交换膜PSf-3OH展现出最好的碱稳定性，与实验结论一致，表明在苯并咪唑苯环位置引入供电性基团可以提升阴离子交换膜的碱稳定性。然而，虽然碱稳定性有极大的提升，但是OH-离子传导率仍然较低，需作进一步探究。
　　（3）为了改善苯并咪唑聚砜阴离子交换膜较低的传导率，制备了1-[2-(2-甲氧基-乙氧基)-乙基]-2-甲基苯并咪唑，并与CMPSf反应制备了IEC为1.30-1.73mmol·g-1的阴离子交换膜PSf-4OH。当IEC为1.73mmol·g-1时，离子传导率达到12.2mS cm-1，相比于PSf-1OH, PSf-2OH和PSf-3OH膜，有了明显的提升，原因可能是聚醚柔性长链与主链的相互作用形成更好的微相分离结构。同时PSf-4OH膜的碱稳定性较好，将PSf-4OH-120膜浸泡于80℃,1mol/L的KOH溶液中336h，OH-传导率依然保持84.7%,原因可能是柔性长支链聚集在功能基团附近，屏蔽了OH-的进攻，从而使基团稳定。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 燃料电池

1.2 阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）

1.3 阴离子交换膜（AEM）

1.4 阴离子交换膜碱稳定性研究进展

1.5 论文的选题意义及研究内容

2 苯并咪唑衍生物的合成及表征

2.1 实验部分

2.2 苯并咪唑衍生物的合成讨论与表征

2.3 本章小结

3 苯并咪唑基聚砜阴离子交换膜的制备及性能研究

3.1 实验部分

3.2 阴离子交换膜PSf-1OH,PSf-2OH,PSf-3OH的表征

3.3 本章小结

4 聚醚长链苯并咪唑聚砜阴离子交换膜的制备及性能

4.1 实验部分

4.2 结构表征与性能测试

4.3 本章小结

结论

创新点与展望

参考文献

读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢