碱性季铵膜中OH-传递及胍基咪唑降解研究

摘要

阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)因具有电极反应速率快、燃料渗透率低、造价低等优点而得到广泛关注。但是阴离子交换膜(AEM)电导率低和碱性环境中化学稳定性差的缺陷限制了AEMFC的进一步发展及广泛应用。对此，目前多数研究是从实验角度通过化学改性方法研发高性能AEM，但是实验无法找到电导率低和化学稳定性差的根本原因。因此只有明确OH在AEM中的传递机理及膜中离子基团的降解机理，才能找到解决问题的办法。本文采用密度泛函理论(DFT)分别探究了OH在AEM中的传递机理及新型胍基咪唑离子在碱溶液中的降解机理，并据此采用不含β-H而富含N原子的六亚甲基四胺（乌洛托品）作为季铵化试剂制备碱性膜。主要研究内容如下:
　　(1)采用DFT方法以季铵功能化聚苯乙烯阴离子膜为模型探究了OH-在膜中传递的两个过程:一是OH-在水通道中的传递过程，分析了膜中水通道的形成过程及OH-传递机理，得出氢键的连续断裂与形成诱导了OH-在水通道中的传递。二是OH-穿过季铵离子基团的过程，并探明OH传递的最低能量路径是通过氢键的作用跟随季铵基团C-CH2单键的自由旋转进行传递，对比前一过程能垒可知这是整个传递过程的速控步骤。针对该过程分析了水溶剂及相邻侧链之间氢键的连通性对OH-传递能垒的影响，并通过实验对上述结论进行验证。
　　(2)采用DFT方法探究了胍基咪唑离子、咪唑离子及胍离子与OH-在水溶液中的反应机理。寻找各基元反应的过渡态并分析反应过程中分子构型的变化，对比各离子基团降解反应的速控步骤及反应势垒，得出离子传导基团的化学稳定性与相连基团的电子诱导效应具有密切关系。当离子基团接有吸电子基团时其稳定性降低，接有供电子基团时其稳定性增强。
　　(3)根据前两部分的研究结果，我们采用不含β-H而富含N原子的乌洛托品作为季铵化试剂成功制备了离子交换容量为1.40～2.25 mmol·g-1的乌洛托品功能化聚砜阴离子交换(HMPSf-OH)膜，季铵化程度为76.1～97.4％。交联结构使膜具有较好的抗溶胀性能，溶胀度随吸水率和IEC变化较小，当吸水率达到68.34％时，溶胀度仅有10.75％。热重分析及碱稳定性能测试表明该膜具有良好的热稳定性和化学稳定性。
　　本论文采用计算化学方法，发现了阴离子膜内分子间氢键作用对OH-在AEM中的传递具有关键性的作用。提出了离子基团的化学稳定性与接入基团的电子诱导效应之间的关系，对设计高性能阴离子膜具有指导意义，为科研工作者提供了新的研究思路。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 燃料电池

1．1．1 燃料电池简介

1．1．2 燃料电池分类

1．2 阴离子交换膜燃料电池

1．3 阴离子交换膜

1．3．1 阴离子交换膜的研究现状

1．3．2 阴离子交换膜的性能及挑战

1．3．3 阴离子交换膜中氢氧根的传递机理

1．3．4 阴离子交换膜的降解机理

1．4 密度泛函理论(DFT)

1．4．1 DFT的发展

1．4．2 Hohenberg-Kohn定理

1．4．3 Kohn-Sham方程

1．5 过渡态(TST)理论

1．5．1 TST简介

1．5．2 内禀反应坐标理论(IRC)

1．6 论文的选题依据及研究内容

2 氢氧根在季铵化聚苯乙烯阴离子膜中的传递机理

2．1 计算方法

2．2 氢氧根的传递机理

2．2．1 计算模型的选取

2．2．2 阴离子交换膜中水通道的构建

2．2．3 氢氧根在水通道中的传递

2．2．4 氢氧根穿过季铵基团的传递

2．2．5 膜电导率与离子基团旋转能垒的关系

2．3 本章小结

3 胍基眯唑阳离子的降解机理

3．1 计算方法

3．2 反应机理及反应能垒

3．2．1 咪唑离子与OHˉ的反应机理及能垒

3．2．2 胍基咪唑阳离子与OHˉ的反应机理及能垒

3．2．3 胍基离子与OHˉ的反应机理及钱垒

3．3 反应势垒的比较

3．4 本章小结

4 乌洛托品功能化聚砜阴离子(HMPSf-OH)膜的制备及性能

4．1 实验部分

4．1．1 主要药品及试剂

4．1．2 实验设备及仪器

4．1．3 HMPSf-OH膜的表征方法

4．1．4 HMPSf-OH膜的合成路线

4．2 HMPSf-OH膜结构的表征

4．2．1 红外数据表征

4．2．2 核磁数据表征

4．3 HMPSf-OH膜的性能表征

4．3．1 HMPSf-OH膜的电导性能

4．3．2 HMPSf-OH膜的热稳定性

4．3．3 HMPSf-OH膜的化学稳定性

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢