溶胶-凝胶法制备无机/有机杂化质子交换膜的研究

摘要

本文对无机/有机杂化质子交换膜的研究，目的在于探索新型的非氟质子交换膜，从而达到简化质子交换膜的制备工艺、降低成本、提高中温条件下的质子电导率。基于材料结构和性能的特点考虑，制备了以无机网络为骨架具有“固-液”模式的杂化膜。 文章采用正硅酸乙酯(TEOS)和聚乙二醇(PEG)作为先驱体，通过溶胶-凝胶法制备了磷钨酸(PWA)掺杂的SiO2/PEG无机/有机杂化质子交换膜。应用FTIR、TGA、XRD、SEM对样品的组成和结构进行了表征，结果表明，杂化膜具有“固-液”模式结构，即骨架SiO2网络结构中形成大量微孔，PEG和PWA如同液体填充在微孔中。同时，部分PEG以化学键接的方式与无机Si-O网络连接。采用交流阻抗法研究了杂化膜的质子电导率，结果表明，质子电导率随PWA含量的增加而增加，也随PEG含量的增加而增加。但是，PEG和PWA含量过多则不利于杂化材料的成型，PEG过多将阻碍SiO2网络的形成使强度降低，PWA过多则容易结晶导致破裂。在室温下，PEG30PWA30样品具有最高质子传导率，达7.682×10-5S·cm-1，但成膜性能不好。综合考虑杂化膜的电导率和成膜性能，PEG30PWA20的组成最为理想，其室温质子电导率为6.125×10-5S·cm-1。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2质子传导机理

1.2.1 Grutthuss机理

1.2.2改进的Grutthuss理论

1.2.3运载机理(vehicle Mechanism)

1.2.4分子扩散触发结构扩散

1.3主要几类有机/无机杂化PEM研究概况

1.3.1 Nafion(R)重铸膜

1.3.2有机/无机杂化材料中掺杂质子导体

1.3.3聚合物/无机酸杂化质子交换膜

1.3.4无机材料的有机改性质子交换膜

1.4研究展望

第二章课题的提出及其意义

2.1课题的提出

2.2课题的工作

第三章SiO2/PEG/PWA质子交换膜的制备和表征方法

3.1体系的选择

3.2制备方法介绍

3.3制备流程

3.4样品表征方法

3.4.1红外光谱分析

3.4.2 X-射线衍射(XRD)分析

3.4.3热重分析(TGA)

3.4.4 SEM形貌观察

3.4.5质子电导率测定

第四章SiO2/PEG/PWA质子交换膜结构和质子电导率分析

4.1 SiO2/PEG/PWA膜表征结果分析

4.1.1红外光谱分析

4.1.2热失重分析(TGA)

4.1.3 XRD分析

4.1.4扫描电子显微镜(SEM)形貌观察

4.2质子电导率

4.2.1质子电导率的计算

4.2.2 PWA和PEG含量对杂化膜质子电导率的影响

4.3.3温度对质子电导率的影响

4.3质子传导机理解释

第五章结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢