杂化离子交换膜的制备与性能研究

摘要

燃料电池因具有能量转换效率高、清洁无污染的特点被认为是二十一世纪新型清洁能源技术之一。离子交换膜包括质子交换膜和阴离子交换膜是燃料电池中的关键部件，主要起着传导离子和隔绝燃料与氧化剂的作用。理想的离子交换膜不仅要具有较高的离子传导率，还需具有优良的稳定性（机械稳定性和化学稳定性），现已发展多种制备高性能离子交换膜的手段，包括直接聚合、辐射接枝、化学修饰、杂化改性等。其中，杂化改性较为简单有效，并且能充分发挥膜中各组分的优势，获得综合性能优异的离子交换膜。因此，本论文旨在通过杂化的方式制备高电导率、高稳定性的离子交换膜，主要工作如下：　　①通过阴离子聚合合成了S-PS-b-PI嵌段共聚物，同时制备了磺化氧化石墨烯（SGO），并通过真空抽滤层层自组装制备了SGO@S-PS-b-PI超薄杂化质子交换膜，采用核磁、XPS、AFM、红外表征了其化学与物理结构。制备的超薄膜厚度可低至1.76μm，具有自支撑能力，可弯曲折叠，具有一定的韧性。此外，制得的石墨烯杂化膜具有较高的质子导电性和水稳定性，SGO@S-PS-b-PI30%膜的平面内（in-plane）质子传导率为61.53mS/cm@20℃，较纯的SGO膜（39.7mS/cm）提高了约55%，浸泡在80℃的水中7天不溶解，仍保持优异的机械强度、热稳定性。　　②制备了表面阳离子负载的纳米纤维素晶体（QCNC），并与轻微季铵化的聚乙烯醇（QPVA）制备了超高含量QCNC@QPVA杂化AEMs。与传统有机无机杂化离子交换膜不同，在此杂化体系中，离子传导功能来自季铵化的纳米填料QCNC，而有机高分子QPVA则主要提供物理支撑，基本不导离子。测试结果表明，70%QCNC@QPVA的电导率最优，20℃为10.22mS/cm，但总体来看杂化膜的电导率都较低，然而却具有良好的耐碱性，70%QCNC@QPVA在80℃、6M NaOH溶液测试条件下，192h后电导率损失16.88%。

目录

中文摘要中文摘要

1 绪 论

1.1 燃料电池

1.1.1 燃料电池的原理

1.1.2 燃料电池的优缺点

1.1.3 燃料电池的分类

1.2 聚合物电解质膜燃料电池

1.2.1 质子交换膜燃料电池

1.2.2 阴离子交换膜燃料电池

1.3 质子交换膜

1.3.1 全氟磺酸型质子交换膜

1.4 阴离子交换膜

1.4.1 侧链型阴离子交换膜

1.4.2 嵌段型阴离子交换膜

1.4.3 交联型阴离子交换膜

1.4.4 杂化型阴离子交换膜

1.4.5 纳米纤维素在杂化型阴离子交换膜中的应用

1.5 本论文的研究目的和意义

2 超薄磺化氧化石墨烯杂化质子交换膜的制备与性能研究2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品及试剂

1.3M正己烷溶液

2.2.2 实验所用设备和仪器

2.2.3 氧化石墨烯（GO）的合成

2.2.4 磺化氧化石墨烯（SGO）的合成

2.2.5 聚(苯乙烯-异戊二烯)(PS-b-PI)的合成

2.2.6 磺化聚(苯乙烯-异戊二烯)(S-PS-b-PI)的合成

2.2.7 SGO@S-PS-b-PI杂化膜的制备

2.3.1 核磁共振氢谱（1H NMR）

2.3.2 红外光谱（IR）

2.3.3 扫描电子显微镜（SEM）

2.3.4 原子力显微镜（AFM）

2.3.5 X射线光电子能谱（XPS）

2.3.6 热重（TG）

2.3.7 离子传导率（σ）

2.3.8 离子交换容量（IEC）

2.2.9 机械性能测试

2.4 结果与讨论

2.4.1 核磁氢谱表征与讨论

2.4.2 XPS表征与讨论

2.4.3 AFM表征与讨论

2.4.4 FTIR表征与讨论

2.4.5 膜的SEM表征与讨论

2.4.6 膜的离子电导率（σ）

2.4.7 膜的电子电导

2.4.8 水稳定性测试

2.4.9 膜的机械性能

2.5 本章小结

3 季铵化纳米纤维素杂化阴离子交换膜的制备与性能研究3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品及试剂

3.2.2 实验所用设备和仪器

3.2.3 季铵化纳米纤维素（QCNC）的合成

3.2.4 季铵化聚乙烯醇（QPVA）的合成

3.2.5 QCNC@QPVA杂化膜的制备

3.3 阴离子交换膜的性能表征

3.4.1 XPS表征与讨论

3.4.2 膜的OH-电导率（σ）

3.4.3 耐碱性测试

3.5 本章小结

4 结 论

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢