交联型聚磷腈负载含氮杂环阳离子碱性膜的制备与性能研究

摘要

碱性膜作为燃料电池的关键材料，目前面临的主要问题包括氢氧根离子传导率低、碱性条件下使用寿命偏低。本论文针对这些问题，以六氯环三磷腈为原料，通过负载眯唑鎓、季铵化哌嗪阳离子，制备并表征了四个系列的碱性膜材料，探索了不同的交联方式对碱性膜性能的影响。主要结果如下:
　　1、负载咪唑鎓阳离子的聚磷腈碱性膜的交联方式比较研究。以聚二氯磷腈为原料，分别制备并表征了共价负载咪唑鎓阳离子、甘油或烯烃结构的聚磷腈碱性膜，并探索了分别与戊二醛溶液交联、硫醇和双键光交联两种方法对碱性膜性能的影响。结果表明戊二醛溶液交联的聚磷腈碱性膜(CPPs-DIm-x)在x=80时，相应膜材料在80℃时为64.4mS/cm，在30℃下的2MKOH溶液中浸泡10天，膜的离子交换容量和离子传导率能保持90％;用硫醇烯烃反应制备交联型聚磷腈碱性膜(T-e-QImOH-x)在x=80时，相应膜材料在80℃时升至71.4mS/cm，在30℃下的2MKOH溶液中浸泡14天，膜的离子交换容量和离子传导率能保持89.2％。表明硫醇烯烃反应交联方式提高膜的综合性能。
　　2、负载季铵化哌嗪的功能化系列聚磷腈交联膜(T-e-QpipOH-x)的研究。利用硫醇烯烃反应交联方式，所制备的不同取代基季铵化的新型交联膜，在x=80时，相应膜材料在80℃时升至76.3mS/cm，在60℃下的2MKOH溶液中浸泡14天，取代基为异丙基的膜材料离子交换容量和离子传导率能保持92％。
　　3、季铵化哌嗪聚磷腈(P-QP)和PVA的交联膜的对照研究。将季铵化哌嗪聚磷腈(P-QP)和PVA按不同的质量比混合，制备了共混交联型聚磷腈膜(PVA/P-QPOH)，在戊二醛交联下，优化出氢氧根传导率最优的共混比例为PVA∶P-QP=1/8，取代基为异丙基的膜材料PVA/P-QPOH在80℃时升至83.2mS/cm，在60℃下的2M KOH溶液中浸泡16天，离子交换容量和离子传导率仍能保持92％。表明传统的PVA互穿型交联方式仍有一定发展潜力。

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 碱性阴离子交换膜研究现状

1．3 均相阴离子交换膜

1．3．1 季铵类均相阴离子交换膜

1．3．2 季胍盐类均相阴离子交换膜

1．3．3 季鏻盐类均相阴离子交换膜

1．3．4 咪唑鎓类均相阴离子交换膜

1．4 非均相阴离子交换膜

1．5 阴离子交换膜面临的困境

1．6 基于聚磷腈主链的电解质膜

1．7 课题提出意义和研究内容

1．7．1 选题的意义

1．7．2 研究内容

第二章 CPPs-DIm-x膜的制备、表征和性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与设备

2．2．2 CPPs-DIm-x聚磷腈膜的合成

2．2．3 CPPs-DIm-x聚磷腈膜的测试表征方法和所用仪器

2．3 结果与讨论

2．3．1 PPs-DIm-x的31p、FT-IR图谱

2．3．2 PPs-DIm-x的分子量

2．3．4 CPPs-DIm-x膜的热重分析

2．3．5 CPPs-DIm-x膜的离子交换容量、溶胀率、拉伸性能

2．3．6 CPPs-DIm-x膜的阴离子传导率

2．3．7 CPPs-DIm-x膜的化学稳定性

2．4 本章小结

第三章 T-e-QimOH-x膜的制备、表征和性能研究

3．1 前言

3．2 实验过程

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 T-e-QImOH-x聚磷腈膜的合成

3．2．3 T-e-QImOH-x聚磷腈膜的测试表征方法和所用仪器

3．3 结果与讨论

3．3．1 T-e-QImOH-x聚磷腈膜的1H、31p、FT-IR和EDS能谱

3．3．2 P(Aol-Im)的分子量

3．3．3 T-e-QImOH-x膜的溶解性和吸水能力测试

3．3．4 T-e-QImOH-x膜的热重分析

3．3．6 T-e-QImOH-x膜的离子传导率

3．3．7 T-e-QImOH-x膜的化学稳定性

3．4 本章小结

第四章 T-e-QpipOH-x膜的制备、表征和性能研究

4．1 前言

4．2 实验过程

4．2．2 T-e-QpipOH-x聚磷腈膜的合成

4．2．3 T-e-QpipOH-x聚磷腈膜的测试表征方法和所用仪器

4．3 结果与讨论

4．3．1 T-e-QpipOH-x聚磷腈膜的31P、FT-IR和EDS图谱

4．3．2 P(Aol-pip)的分子量

4．3．3 T-e-QpipOH-x膜的溶解性和吸水能力测试

4．3．4 T-e-QpipOH-x膜的热重分析

4．3．6 T-e-QpipOH-x膜的离子传导率

4．3．7 T-e-QpipOH-x膜的化学稳定性

4．4 本章小结

第五章 季铵化哌嗪聚磷腈的合成和PVA／P-QPOH复合碱性膜的制备、表征和性能测试

5．1 引言

5．2 实验过程

5．2．1 实验试剂与仪器

5．2．2 PVA／P-QPOH复合碱性膜的制备

5．2．3 PVA／P-QPOH聚磷腈膜的测试表征方法和所用仪器

5．3 结果与讨论

5．3．1 PVA／P-QPOH聚磷腈膜的31p和FT-IR图谱

5．3．2 P-QP的分子量

5．3．4 PVA／P-QPOH膜的热重分析

5．3．5 PVA／P-QPOH膜的离子交换容量、溶胀率、拉伸强度分析

5．3．6 PVA／P-QPOH膜的阴离子传导率

5．3．7 PVA／P-QPOH膜的化学稳定性

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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