膜内离子传递特性强化途径研究

摘要

燃料电池被誉为具有前途的新科技之一。离子交换膜是燃料电池的关键部件，其性能直接影响了燃料电池的诸如输出功率、开路电压等关键参数。本研究围绕离子交换膜的膜内离子传递行为与离子交换膜的化学结构、拓扑结构之间的构效关系，通过建立模型和理论推导，确定了从离子浓度、离子淌度以及膜内通道形貌三个途径强化膜内离子传递特性的研究方向，并分别从这三个途径提出了强化离子交换膜离子传导特性的方法，以期为面向应用过程质子交换膜材料的设计提供一定参考。主要研究内容及结论如下：
　　1、提升离子淌度强化膜内离子传递：使用植酸作为磷酸基团供体、MIL101为载体制备了复合材料，对磷酸基团进行了固定化。该复合材料显示出低植酸流失率和高负载率（11.54 wt％）。将其与Nafion膜杂化，所制备杂化膜较Nafion膜在10.5%湿度下离子传导率性能提升11倍。失水时氢键网络断裂，离子淌度骤降是导致低湿度下离子传导率衰减的主要原因。磷酸在低湿度下可通过自解离而构建氢键网络。向膜内引入磷酸可有效地促进低湿度下膜内离子通过跳跃机理传递，维持离子淌度，从而强化膜内离子传递特性。
　　2、提升离子浓度强化膜内离子传递：离子浓度与离子传导率呈正相关，提升离子浓度是一种简易而有效的提升离子传导率的途径。通过制备高改性度的咪唑鎓盐化聚醚醚酮作为高分子基质，赋予离子交换膜达3.15-2.31 mmol g-1的高离子交换容量及1.89-1.80 mmol cm-3的高离子浓度，使离子交换膜具有高达76.38 mS cm-1的离子传导率（80℃）。此外，使用磺化聚醚醚酮作为离子交联剂，向膜内引入强离子相互作用，有效防止了高离子浓度带来的稳定性下降问题。所制备共混膜的机械性能、物理稳定性、热稳定性能和阻醇性能均有显著提升。
　　3、优化通道函数强化膜内离子传递：通道是离子传递发生的场所与路径，通道的特性关系到膜内离子传递特性。使用具有笼状结构的MIL101晶体材料作为膜基质，通过负载咪唑鎓盐赋予其离子传导能力。将其压制成膜，借助其规则的晶格结构，构建规则有序的离子传递通道，缩短离子传递路径、减小离子传递阻力，从而强化膜质子传递特性。所制备无机膜具有很高的通道函数值，较Nafion膜提升73%。该无机膜虽离子密度较低（0.63 mmol cm-3），离子传导率仍可达到0.126 mS cm-1（80℃）。

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第一章 绪论

1.1离子交换膜燃料电池的研究背景

1.2离子交换膜

1.3 膜内离子传递的影响因素和强化思路

1.4论文选题与主要研究思路

第二章 通用实验部分

2.1试剂与设备

2.2材料表征

2.3离子交换膜的表征

第三章 通过提升离子淌度强化膜内离子传递特性

3.1引言

3.2实验部分

3.3表征与结果

3.4小结

第四章 通过提升离子密度强化膜内离子传递特性

4.1引言

4.2实验部分

4.3表征与结果

4.4小结

第五章 通过优化通道函数强化膜内离子传递特性

5.1引言

5.2实验部分

5.3表征与结果

5.4 小结

第六章 通过MIL材料在有机膜中构建离子传递通道

6.1引言

6.2实验部分

6.3表征与结果

6.4小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2主要创新点

7.3展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢