納米纖維改性Nafion復(fù)合質(zhì)子交換膜的制備與性能.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，具有功率密度高、啟動快、環(huán)境友好等優(yōu)點，是未來社會發(fā)展急需的綠色技術(shù)。質(zhì)子交換膜(PEM)是PEMFC的核心部件，起著傳導(dǎo)H+和隔絕燃料等作用，其性能的優(yōu)劣決定著PEMFC性能的高低。目前廣泛應(yīng)用的全氟磺酸質(zhì)子交換膜因性能和成本等原因大大限制了廣泛應(yīng)用及PEMFC的發(fā)展，因此高性能質(zhì)子交換膜的開發(fā)已成為相關(guān)研究熱點。近年來，利用納米材料的特性強化質(zhì)子傳遞過程

2、，增強膜的機械性能構(gòu)建高性能質(zhì)子交換膜的方法引起了研究者廣泛的興趣。本論文以Nation膜為基礎(chǔ)，通過引入納米纖維構(gòu)建一維質(zhì)子傳遞長通道的方式建立了高性能PEM的制備新方法。主要研究內(nèi)容如下：
　　采用本實驗室自有的專利技術(shù)——溶液噴射紡絲技術(shù)紡制了SPES/PES納米纖維并通過溶液浸漬法，制備了納米纖維/Nation(NF/Naton)復(fù)合質(zhì)子交換膜。所制備SPES/PES納米纖維形態(tài)良好，平均直徑主要分布在300-450nm。

3、復(fù)合膜具有良好的熱穩(wěn)定性、吸水率和電導(dǎo)率。納米纖維的存在大大提高了復(fù)合膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，80℃下NF/Nafion-20復(fù)合膜電導(dǎo)率為0.145 S/cm。纖維含量增大復(fù)合膜吸水率也增大但復(fù)合膜尺寸穩(wěn)定性提高，這是由于納米纖維在復(fù)合膜中起到骨架作用，限制了膜的溶脹。納米纖維復(fù)合膜較Nation117具有更好的選擇性，NF/Nafion-20復(fù)合膜的選擇性最好，選擇性值為9.6×104 Sscm-3。
　　基于SiO2等無機材料具有

4、優(yōu)異的保水性能及熱穩(wěn)定性等特點，論文通過溶液噴射紡絲技術(shù)紡制備了SPES/SiO2雜化納米纖維，進而制備了SPES/SiO2/Nafion復(fù)合膜。實驗結(jié)果表明，復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性、吸水率和尺寸穩(wěn)定性均得以改善。SPES/SiO2/Nafion-15復(fù)合膜在80℃下，質(zhì)子電導(dǎo)率可以達到0.154 S/cm。SiO2的存在一定程度上提高了復(fù)合膜的阻醇性，所得復(fù)合膜的甲醇滲透率都低于Nation膜和SPES/PES/Nation復(fù)合膜，SPES

5、/SiO2/Nation-25復(fù)合膜甲醇透過系數(shù)達到6.3×10-7 cm2/s。
　　蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)的質(zhì)子傳輸過程中扮演著重要角色，受此啟發(fā)，利用靜電紡絲的方法制備了SiO2無機納米纖維，并通過羧基化及氨基酸固載處理將賴氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、絲氨酸固載到SiO2納米纖維表面。以期通過在纖維表面引入氨基酸分子鏈的方式，增加復(fù)合膜內(nèi)部H+的傳輸位點，提高復(fù)合膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率。研究結(jié)果表明氨基酸分子鏈長短對復(fù)合膜吸水率、溶脹率、質(zhì)子

6、傳導(dǎo)率無影響，但可以影響納米纖維直徑的大小。氨基酸分子鏈極性基團的數(shù)目及極性大小對復(fù)合膜性能有較大影響，極性基團越多及基團極性越強則導(dǎo)致復(fù)合膜吸水能力和質(zhì)子傳到能力提高。吸水率由大到小為Nation-Cys＞ Nafion-Ser＞Nation-Lys＞Nafion-Gly＞Nafion。吸水率的大小影響了溶脹率所以溶脹率由大到小為Nafion＞Nafion-Cys＞ Nafion-Ser＞Nation-Lys＞Nafion-Gly。由