用無機納米粒子修飾的復(fù)合型質(zhì)子交換膜的制備與表征.pdf

1、質(zhì)子交換膜(PEM)作為燃料電池中的核心材料之一，起著隔離兩極氣體和質(zhì)子傳導(dǎo)的作用。而質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率又十分依賴于膜中含水的情況。對于改善膜中的親水保水性能，研究者們作了很多這方面的工作，其中通過無機親水粒子(SiO<,2>,TiO<,2>以及其他一些硅酸鹽材料等)摻入全氟磺酸樹脂內(nèi)，則是一個比較重要的方向。然而，這類方法往往不能最大效率地利用無機粒子的親水性能。并且容易導(dǎo)致電導(dǎo)率和機械性能方面較大的下降。本文認為，改善無機粒子在膜中

2、的分布狀態(tài)，使其圍繞在傳導(dǎo)質(zhì)子的-SO<,3><'->周圍，而不是隨機分布在樹脂內(nèi)部，才能最大效率發(fā)揮無機粒子的效率，并且通過控制粒子在納米尺度，限制其對膜其他方面的影響。 文中提出兩種思路，控制無機納米粒子在全氟磺酸型膜中的分布狀態(tài)： (1)通過溶液插層方式，將全氟磺酸樹脂(使用Dupont公司Nafion樹脂)插入層狀硅酸鹽材料中(本文選取的是蒙脫石(montmorillonite，MMT)。 (2)使用自組

3、裝的方式，通過納米粒徑的親水性的無機粒子與全氟磺酸樹脂的-SO<,3>-部分的作用，形成包覆型結(jié)構(gòu)，納米粒子分散在-SO<,3>-周圍。本文選取的親水無機材料為SiO<,2>。 通過控制實驗條件，按照這兩種思路分別制取了插層型膜和包覆型膜。 MMT插層膜是通過首先有機化蒙脫石(m-MMT)，然后加溫加壓，形成插層溶液，最后制取插層型膜。 X射線衍射(XRD)分析了蒙脫石插層前后層間距的變化情況，證明了全氟磺酸樹脂

4、進入了蒙脫石的層間，而差示掃描量熱分析(DSC)則說明了蒙脫石層間的作用限制了高分子鏈在層間的熱運動。含水率和高溫保水率的測試結(jié)果表明了MMT插層膜具有較好的親水性和保水性。在高溫下的電導(dǎo)率測試和不贈濕調(diào)價下電池性能的測試則體現(xiàn)了插層膜保水能力的優(yōu)勢。而在氣體滲透率和膜機械強度有一定的影響。 而包覆型復(fù)合膜則是基于對Nafion溶液分散行為的研究，通過調(diào)節(jié)pH值，改變原位生成的SiO<,2>的Zeta電位，從而構(gòu)造了能夠自組裝成

5、包覆結(jié)構(gòu)的環(huán)境。本文研究了Nafion溶液在不同濃度和pH值條件下，Zeta電位的變化情況。但是，SiO<,2>膠體的Zeta電位則具有隨pH值變化能夠改變電荷方向的特性。在pH值小于2的情況下，SiO<,2>能夠帶正電荷，而pH值大于2的時候，SiO<,2>則帶負電荷，并且隨著pH的增大，所帶負電荷增多。因此，在pH小于2的環(huán)境中，帶負電荷的Nafion團簇能夠與SiO<,2>自組裝成包覆結(jié)構(gòu)，達到控制SiO<,2>顆粒圍繞在-SO<