有机-无机杂化质子交换膜质子传递特性仿生强化的研究

摘要

为提高直接甲醇燃料电池（DMFC）质子交换膜的质子传导性能，受自然界生物体内质子传导机制的启发，本研究通过共混法和原位溶胶凝胶法，设计并制备两性官能团功能化无机质子载体作为填充材料的有机-无机质子交换膜，系统的研究两性填充材料对膜性能的影响。
　　1，受自然界中生物体内质子传递通道的组成中氨基酸起非常重要作用的启发，通过简便的方法制备出四种不同氨基酸功能化二氧化钛微球，包括组氨酸功能化二氧化钛（TiO2-His）、天门冬氨酸功能化二氧化钛（TiO2-Asp）、氧化半胱氨酸功能化二氧化钛（TiO2-Scys）以及磷酸丝氨酸功能化二氧化钛（TiO2-Pser），并将其填充入磺化聚醚醚酮（SPEEK）内，制备出高性能DMFC质子交换膜。功能化TiO2的加入使膜的甲醇渗透率降低至约为纯膜的二分之一，同时增强了膜的抗溶胀及热稳定性。两性氨基酸官能团的引入在膜内构建出新的质子传递通道，可以有效的增强杂化膜的质子传递特性。当填充量低于20％时，所有的杂化膜的质子传导率均高于纯SPEEK膜的，其中，填充量为10%的SPEEK/TiO2-Pser杂化膜的质子传导率最大为7.37×10-3Scm-1。
　　2，利用原位溶胶凝胶可以构建无机组分为纳米级的杂化膜的方法，通过儿茶酚结构与TiO2的螯合反应和溶胶凝胶方法制备出羧酸及氨基酸功能化二氧化钛溶胶填充材料，并分别制备出磺化聚醚醚酮/羧酸化二氧化钛杂化膜（SPEEK/TC）和磺化聚醚醚酮/氨基酸化二氧化钛（SPEEK/TNC）杂化膜。无机组分的引入有效的增强了膜的性能，其中由于基于氨基酸填充材料的杂化膜中的氨基与高分子的磺酸根间的静电作用，相同填充量下较SPEEK/TC膜表现出较好的热稳定性、抗溶胀性及阻醇性能。此外，15%填充量的SPEEK/TC杂化膜在室温下的质子传导率高于SPEEK/TNC膜的为6.24×10-2Scm-1，且为纯SPEEK（1.79×10-2Scm-1）的3.5倍。
　　3，基于两性酸碱官能团匹配可构建高效质子传递通道的理论，利用儿茶酚结构与钛的螯合作用以及硅烷偶联剂与硅前驱体的反应，设计并制备出带有不同酸碱比例两性官能团（羧基和氨基）的功能化硅钛溶胶（SiN-TiC），并将其加入壳聚糖（CS）内制备出有机-无机杂化膜。该两性官能团功能化吸湿性硅-钛材料的引入有效的增加了杂化膜吸水保水能力，且酸碱对的引入在膜内构建出高效的质子传递通道，增强了杂化膜的质子传导能力。与纯CS膜相比，所有杂化膜的质子传导率均有所提高。其中，杂化膜（CS/1SiN-2TiC-7）的质子传导率在室温、100%湿度下达0.0408Scm-1，将近纯CS膜（0.0111Scm-1）的4倍，而杂化膜CS/1TiC-2SiN-5的选择性（4.85×104Sscm-3）约为纯CS膜的3倍。

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前 言

第一章文献综述

1.1燃料电池

1.2质子交换膜的研究进展

1.3质子传递特性的研究

1.4研究工作的主要思路

第二章实验部分

2.1膜的制备

2.2膜的表征

2.3膜的吸水率和溶胀度

2.4膜离子交换容量（IEC）

2.5膜的甲醇渗透率测试

2.6质子传导率

2.7膜的综合性能评价

第三章 磺化聚醚醚酮/氨基酸化二氧化钛杂化膜

3.1引言

3.2二氧化钛微球的合成及表面改性

3.3杂化膜的制备

3.4功能化二氧化钛微球的表征

3.5杂化膜的结构表征与物理化学性质

3.6杂化膜的性能

3.7结论

第四章 磺化聚醚醚酮/原位功能化二氧化钛杂化膜

4.1引言

4.2膜的制备

4.3功能化二氧化钛溶胶的表征

4.4杂化膜的结构表征与物理化学性质

4.5杂化膜的性能

4.6结论

第五章 壳聚糖/两性官能团功能化硅钛杂化膜

5.1引言

5.2杂化膜的制备

5.3功能化两性硅-钛溶胶的表征

5.4杂化膜的结构表征与物理化学性质

5.5杂化膜的性能

5.6质子传导特性

5.7选择性

5.8结论

第六章 结 论

参考文献

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