全氟磺酸质子交换膜的改性与应用研究

摘要

全氟磺酸离子膜是一种具有选择透过性的离子交换膜,它性能优异,除了耐氧化性、机械强度大、热稳定性好以外,低电阻和选择性高也是其突出特点,因此不仅被应用于质子膜燃料电池,而且还被广泛应用于氯碱工业、电解去离子水制备氢气和氧气、电吸附脱盐、海水淡化以及污水处理等方面。因此,对国产全氟磺酸膜的开发和改性研究,以及对其各方面的应用价值的探讨就显得格外重要,具有十分重要的研究意义。
　　 本文利用国产全氟磺酸树脂,通过流延成型工艺制备了全氟磺酸质子交换膜,并且采用不同网格密度的PTFE作为增强体制备复合磺酸膜,改善了膜表面因吸水溶胀收缩率过大而引起的凸凹不平的现象,从而有效的防止了其电解应用过程中对极距的影响；采用全氟磺酸膜的回收液制备复合质子膜,有利于资源的可持续利用,并且进一步降低了生产成本。
　　 本文利用苯酚-甲醛体系的炭气凝胶对自制全氟磺酸离子交换膜进行改性,考察了炭气凝胶孔径以及添加量对改性效果的影响,并将其应用于电吸附脱盐以及电解食盐水,分析了其脱盐效果和电解效率。结果表明,采用平均孔径为9.76nm,比表面积为590m2／g,且添加量为2％的中孔炭气凝胶改性后的全氟磺酸质子交换膜,在含水率稍微降低的同时,降低了溶胀度,提高了全氟磺酸质子交换膜的保水性能以及电导率；并且应用于电吸附脱盐过程效果明显,具有一定的应用前景。
　　 本文采用含pt量为40％的碳载铂作为电催化剂,通过改变催化剂负载方法,研究了应用于电解水制氢的膜电极的制备工艺及性能,分析比较了不同催化剂负载方法制备的离子膜在电解水制氢中的电解效率,以及催化剂的添加量对电解电性能的影响。结果表明,电催化剂添加量为0.36mg／cm2,采用二次流延成型工艺,将电催化剂与树脂以包埋的形式制备的质子交换膜应用于电解水制氢时,电解效率较高,最高产氢速率可达到1.50ml／min／cm2。

目录

文摘

英文文摘

Contents

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 全氟磺酸膜的结构特点及发展

1.2.1 全氟磺酸膜的结构

1.2.2 全氟离子交换膜优缺点

1.2.3 全氟磺酸膜的发展

1.3 全氟磺酸膜的改性

1.3.1 PTFE/全氟磺酸复合膜

1.3.2 玻璃纤维/PFSA复合膜

1.3.3 无机氧化物/PFSA复合膜

1.3.4 合金/Nafion复合膜

1.4 全氟磺酸离子交换膜的应用

1.4.1 离子交换膜在燃料电池中的应用

1.4.2 离子交换膜在氯碱工业中的应用

1.4.3 离子交换膜在电解水制氢中的应用

1.4.4 离子交换膜在电化学合成中的应用

1.4.5 离子交换膜在气体分离中的应用

1.4.6 离子交换膜在渗透气化中的应用

1.4.7 离子膜在海水淡化中的应用

1.5 研究的目的与意义

第二章 实验部分

2.1 试验仪器及设备

2.2 原料规格及来源

2.3 实验方法

2.3.1 全氟磺酸质子交换膜的制备

2.3.2 全氟磺酸膜的回收与利用

2.3.3 炭气凝胶改性全氟磺酸膜的制备

2.3.4 应用于电解水制氢的膜电极的制备

2.4 结构与性能表征

2.4.1 离子交换容量的测定

2.4.2 含水性能的测定

2.4.3 溶胀度的测定

2.4.4 质子交换膜失水率的测定

2.4.5 SEM测试

2.4.6 XRD测试

2.4.7 ATR-FTIR测试

2.4.8 离子膜应用于电解氯化钠电性能测试

2.4.9 离子膜应用于电吸附脱盐的性能测试

2.4.10离子膜应用于电解水制氢电性能的测试

第三章 全氟磺酸质子交换膜的制备及性能研究

3.1 PTFE/PFSA增强型复合膜的制备

3.1.1 制膜工艺研究

3.1.2 后处理过程对自制膜特征性能的影响

3.2 全氟磺酸质子膜的回收与利用

3.2.1 回收液的制备

3.2.2 回收液的成膜性能研究

3.3 PFSIEM应用于电解氯化钠的电性能研究

3.3.1 温度对电解性能的影响

3.3.2 电解液浓度对电解性能的影响

3.3.3 极距对电解性能的影响

3.3.4 膜的后处理工艺对自制膜电性能的影响

第四章 炭气凝胶改性全氟磺酸质子交换膜的性能研究

4.1 炭气凝胶不同孔径的选择

4.1.1 溶胀度及含水性能

4.1.2 保水性能

4.1.3 微观形貌分析

4.2 炭气凝胶添加量对改性效果的影响

4.2.1 溶胀度及含水性能

4.2.2 保水性能

4.2.3 导电性能

4.2.4 微观形貌分析

4.2.5 红外分析(FTIR)

4.3 炭气凝胶改性膜的应用

4.3.1 应用于电吸附脱盐的性能研究

4.3.2 炭气凝胶改性膜应用于电解氯化钠

第五章 应用于电解水制氢的膜电极制备工艺及性能研究

5.1 实验背景

5.2 催化剂负载方法的讨论

5.3 催化剂在膜中的不同负载方法对电解水性能的影响

5.3.1 产氢速率与电解效率

5.3.2 特征性能

5.3.3 微观形貌分析

5.3.4 XRD分析

5.3.5 ATR-FTIR分析

5.4 催化剂在膜中的不同负载方法对碱性条件下电解水性能的影响

5.5 催化剂的添加量对电解性能的影响

5.6 SPE电极电解水制氢

5.6.1 SPE电极电解水制氢的电性能研究

5.6.2 SPE电极电解水过程两极PH值变化

第六章 结论

第七章 进一步工作设想

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

作者及导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书