碱性燃料电池用多氟聚噁二唑芳醚阴离子交换膜的制备与表征

摘要

燃料电池是一种将化学能直接转化成为电能的发电装置,具有高效率、高能量密度及环境友好等特点,被认为是最有前景的电源装置。碱性电解质膜燃料电池因兼具质子交换膜燃料电池与传统碱性燃料电池的优势而逐渐得到广泛关注。与质子交换膜燃料电池相比,碱性电解质膜燃料电池通过从酸性环境转化为碱性环境,具有解决催化剂的高成本和低可持续性问题的潜力,同时还具有高的功率和能量密度。　　聚电解质膜是燃料电池的关键部件,它起到将燃料与氧化剂分隔开,但传导活性离子使电池形成有效回路,并且负载催化剂的作用。碱性电解质膜燃料电池用阴离子交换膜需具有高的离子传导率、合适的吸水率、足够的机械强度和化学稳定性。然而,目前仍然没有一种适用于碱性电解质膜燃料电池的商业化阴离子交换膜。为了得到高性能的阴离子交换膜,本文选择多氟聚噁二唑芳醚作为膜的基本材料,采用NBS作为溴化试剂对聚合物进行卤甲基化,分别用三甲胺和N-甲基咪唑对其进行季铵化,成功地制备了两个不同系列的阴离子交换膜。具体的工作如下:　　1.以四甲基双酚A和十氟苯并噁二唑为单体、K2CO3为催化剂,在室温下进行缩合聚合,合成了较高分子量的线性聚合物,并考察了反应时间对聚合物分子量及分子量分布的影响;采用NBS为溴化试剂对聚合物进行功能化,考察了NBS/聚合物结构单元投料比对溴化率的影响;运用核磁、红外光谱和GPC对聚合物的结构进行了表征,用TG研究了聚合物的热稳定性能。　　2.用三甲胺水溶液(33％)作为季铵化试剂,通过均相胺化法对溴甲基化聚合物进行季铵化,成功地制备了季铵型阴离子交换膜(QFPAEO-x);运用核磁、红外光谱对QFPAEO-x膜的结构进行了表征;分别考察了离子交换容量、温度对QFPAEO-x膜的离子传导率、吸水率、溶胀率的影响;对膜的溶解性和热稳定性能也进行了表征。　　3.用N-甲基咪唑作为胺化试剂,将溴甲基化聚合物季铵化,成功地制备了基于咪唑盐的聚电解质;运用核磁、红外光谱对其化学结构进行表征;将聚电解质溶解在DMF中配制成5 wt.%的溶液,通过流延法成膜,制备了咪唑型阴离子交换膜(FPAEO-xMIM);考察了FPAEO-xMIM膜的物理及电化学性能;结果显示其离子传导率最高可达4.17×10-2 S cm-1,同时阴离子交换膜的吸水率和溶胀率都比较适中, TG显示其较高的热稳定性。

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第1章 绪论

1.1 燃料电池(Fuel Cells, FCs)

1.2 阴离子交换膜概况

1.3 碱性燃料电池用阴离子交换膜的研究情况

1.4 本课题的提出

第2章 溴甲基化多氟聚噁二唑芳醚的合成及其季铵化

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 基于咪唑盐的多氟聚噁二唑芳醚阴离子交换膜的制备

与表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

总 结

展 望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果