纳米TiO表面的化学修饰及其Nafion复合膜的制备与性能研究

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池领域中的研究热点，它采用固体聚合物作为电解质，可以大幅度提高电池的能量密度。质子交换膜是PEMFC的核心部分，该电解质膜的性质决定了电池的构造和运行的主要技术特征。目前广泛应用的全氟磺酸质子交换膜由于成本高，高温保水性能差以及甲醇透过系数高等原因限制了其产业化应用。本论文采用纳米表面工程技术对纳米TiO2表面进行化学修饰得到两种新的纳米颗粒修饰物，再将修饰物添加到Nafion(R)膜中制备了两种新型复合膜，并对膜的结构和性能方面进行了研究。具体研究内容如下：
　　 1、采用硅烷偶联剂法，成功合成了两种纳米TiO2表面化学修饰物TiO2@苯磺酸衍生物(D1)和TiO2@萘磺酸衍生物(C2)。其结构和粒径大小经过傅里叶红外光谱仪、透射电镜和激光粒度分析仪的表征确认。对于合成路线，我们采用分时段监测法进行了选择。
　　 2、采用流延成膜法向Nafion(R)膜中添加化合物D1和C2，首次制备了复合膜Nafion(R)/D1和Nafio(R)/C2。扫描电镜测试表明D1和C2在复合膜中均匀分布并且与Nafion(R)界面兼容性较好，没有明显的团聚现象。热重分析表明，D1和C2的加入没有减缓复合膜中磺酸基团的降解，复合膜的失重率变化趋势与吸水率相反。考察了膜的吸水率随温度和填料含量的变化趋势及其对质子电导率的影响，实验证实复合膜具有优异的高温保水性能，吸水率的升高改善了膜的导电性能。考察了复合膜的甲醇透过系数随温度和填料含量的变化趋势，利用隔膜扩散法测定甲醇透过系数，结果表明：D1和C2的加入显著改善了复合膜的阻醇性能，与Nafion(R)膜相比下降了约1个数量级。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1燃料电池概述

1.2质子交换膜的研究现状

1.2.1全氟磺酸型质子交换膜

1.2.2抗氧化膜

1.2.3增湿膜

1.2.4增强膜

1.2.5阻醇膜

1.2.6高温膜

1.2.7纳米表面工程技术在质子交换膜制备中的应用

1.3论文设计思想及研究内容

1.3.1设计思想

1.3.2研究内容

第二章TiO2@苯磺酸衍生物和TiO2@萘磺酸衍生物的制备与表征

2.1实验部分

2.1.1实验仪器

2.1.2所用药品与来源

2.2 TiO2@苯磺酸衍生物的合成及其表征

2.3 TriO2萘磺酸衍生物的合成及其表征

2.4结果与讨论

2.4.1纳米颗粒表面化学修饰路线的选择

2.4.2化合物A1的IR分析

2.4.3亚胺混合物C1的IR分析

2.4.4 TiO2@苯磺酸衍生物D1的IR分析

2.4.5亚胺混合物B2和终产物TiO2@萘磺酸衍生物C2的IR分析

2.4.6透射电镜(TEM)分析

2.4.7激光粒度分析

2.5本章小结

第三章质子交换膜的性能测试和表征

3.1性能测试

3.1.1质子电导率的测定

3.1.2甲醇透过系数的测定

3.1.3吸水(醇)率

3.1.4 TG-DTA

3.1.5膜的综合性能评价指标

3.2膜的结构与微观形态的表征

3.2.1扫描电镜分析

3.2.2 X射线衍射分析

第四章TiO2@苯磺酸衍生物和TiO2@萘磺酸衍生物Nafion复合膜的制备和性能研究

4.1 Nafion复合膜的制备

4.2结果与讨论

4.2.1 XRD分析

4.2.2扫描电镜(SEM)分析

4.2.3 TG-DTA分析

4.2.4复合膜的吸水率

4.2.5复合膜的吸醇率

4.2.6复合膜的质子电导率

4.2.7复合膜的甲醇透过率

4.2.8复合膜的综合性能评价

4.3本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致 谢

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