杂多酸掺杂改性质子交换复合膜的制备及性能

摘要

全氟磺酸质子交换膜是聚合物质子交换膜燃料电池的核心部件，它可以让质子穿过、而水分和气体无法透过。膜的机械强度、耐高温性、耐化学药品性等对于膜的使用寿命具有重要影响。掺杂无机亲水粒子、无机质子导体的质子膜改性对于提高膜的热稳定性和高温保水性等，具有重要意义。
　　以国产东岳集团生产的全氟磺酸离子膜为基体，分别掺杂磷钼酸和硅钨酸、硅钨酸以及二氧化钛、二氧化硅颗粒，利用溶胶-凝胶法和交联法，制备用于燃料电池的磷钼酸/硅钨酸、硅钨酸、TiO2/SiO2复合质子交换膜。分别测定其室温(20℃)、30℃～90℃以及低温-30℃～0℃下的阻抗谱，进而求得不同温度下各复合膜对应的电导率。可以发现，改性之后的复合膜其电导率明显高于原膜。如在90℃时，磷钼酸/硅钨酸复合膜及原膜的电导率分别为27.5×10-6S·cm-1和2.70×10-6S·cm-1。且随着温度的升高原膜与复合膜的电导率均呈增大的趋势。如，20℃升到90℃时，二氧化钛/二氧化硅复合膜的电导率从31.2×10-7S·cm-1增加到约为20℃时电导率的4倍。测定扰动电压分别为5mV、10mV、20mV和100mV时，其对原膜和磷钼酸/硅钨酸复合膜阻抗谱的影响，但发现其变化对阻抗谱的高频半圆影响不大。
　　使用热失重法考察制备的每种复合膜的热稳定性。对于磷钼酸/硅钨酸复合膜，使用Kissinger法、Flynn-Wall-Ozawa法研究其热降解动力学，得到表观活化能E、相关系数r等动力学参数;比较了改性前后质子膜热稳定性的变化，发现当温度超过363.3℃时，复合膜的热稳定性优于原膜，当温度低于363.3℃时，复合膜耐温性能不及原膜。对于硅钨酸、二氧化钛/二氧化硅复合膜，使用Kissinger、Flynn-Wall-Ozawa、Starink和Friedman法研究其热降解动力学，并使用Achar-Brindley-Sharp、Coats-Red fern以及α-Z(α)法推导出了其可能的热降解机理。硅钨酸复合膜第一阶段的热降解机理为Mampel Power(R1)法则:微分式f(α)=1，积分式g（α)α。第二阶段的机理函数:f(α）=(1-α)2，g（α）=（1-α）-1;二氧化钛/二氧化硅复合膜的热降解机理亦为二级反应、F2机理。

目录

声明

摘要

引言

第一章 文献综述

1．1 质子交换膜的研究进展

1．1．1 全氟磺酸质子交换膜现状

1．1．2 部分氟化离子膜

1．1．3 新型非氟质子交换膜

1．2 全氟磺酸离子膜改性研究进展

1．2．1 含有亲水的无机粒子的复合膜

1．2．2 含有固体无机质子导体的复合膜

1．3 阴离子交换膜

1．4 选题的意义和创新点

1．4．1 选题的意义

1．4．2 创新点

第二章 磷钼酸／硅钨酸表面改性质子交换复合膜的制备与性能

2．1 实验仪器与药品

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验药品

2．2 复合质子交换膜的制备

2．2．1 复合膜制备方法概述

2．2．2 膜的预处理

2．2．3 磷钼酸／硅钨酸复合质子交换膜制备方法

2．3 复合膜的表征

2．3．1 阻抗电导率

2．3．2 热稳定性

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 温度对膜阻抗电导率的影响

2．4．2 扰动电压对阻抗谱的影响

2．4．3 复合膜的热稳定性

2．5 本章小结

第三章 硅钨酸表面改性质子交换复合膜的制备与性能

3．1 硅钨酸复合质子交换膜的制备方法

3．2 复合膜的表征

3．2．1 SiWA-PEM阻抗电导率

3．2．2 SiWA-PEM热稳定性

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 温度对SiWA-PEM阻抗谱的影响

3．3．2 温度对SiWA-PEM电导率的影响

3．3．3 复合膜的热稳定性

3．4 本章小结

第四章 二氧化钛及二氧化硅表面改性质子交换复合膜的制备与性能

4．1 TiO2及SiO2复合质子交换膜的制备方法

4．2 复合膜的表征

4．2．1 TiO2／SiO2-PEM阻抗电导率

4．2．2 TiO2／SiO2-PEM热稳定性

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 温度对TiO2／SiO2-PEM阻抗谱的影响

4．3．2 温度对TiO2／SiO2-PEM电导率的影响

4．3．3 复合膜的热稳定性

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果