基于聚苯醚的咪唑鎓鹽型陰離子交換膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備及性能研究.pdf

1、燃料電池作為一種清潔、高效、安全綠色的能量轉(zhuǎn)換裝置，有望成為新能源應(yīng)用中最突出的一種新技術(shù)。其中，陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)由于具備不需要貴金屬催化劑、較高的陽極反應(yīng)動力學(xué)以及較低的燃料滲透等優(yōu)點(diǎn)引起了研究者的廣泛關(guān)注。
　　作為AEMFCs中核心部件，陰離子交換膜(AEMs)的性質(zhì)很大程度上決定著堿性燃料電池的最終性能，因此，開發(fā)綜合性能優(yōu)異的陰離子交換膜材料一直是科學(xué)家努力的目標(biāo)。本論文工作主要圍繞陰離子交換膜的結(jié)構(gòu)

2、設(shè)計(jì)對其堿解穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)率的影響等問題開展，取得以下進(jìn)展:
　　1、以聚苯醚(PPO)為起始原料，經(jīng)過溴化、疊氮化得到疊氮化聚苯醚(PPO-N3)，并進(jìn)一步與末端基為炔基的新型離子液體發(fā)生點(diǎn)擊反應(yīng)，制備得到一系列具有不同取代度的陰離子交換膜材料(PPO-PIm)，通過NMR、FT-IR和MS表征了中間體和最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡(AFM)和小角X射線散射（SAXS）研究發(fā)現(xiàn):此法制備得到的陰離子交換膜在咪唑基團(tuán)含量較高時(shí)，

3、其微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)存在明顯的親水/疏水相分離，這種相分離結(jié)構(gòu)有助于膜內(nèi)構(gòu)筑連續(xù)貫通的離子傳輸通道，進(jìn)而提高膜的離子電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，此類陰離子交換膜PPO-PIm-40(IEC=1.85 meq/g)在80℃，100％ RH條件下其離子電導(dǎo)率高達(dá)95 mS/cm，顯著優(yōu)于相同條件下的芐基型咪唑基陰離子交換膜PPO-Im-34(IEC=1.89 meq/g)。
　　2、通過“點(diǎn)擊化學(xué)”引入耐堿性較好的咪唑基陽離子和利于形成相分離結(jié)構(gòu)的

4、柔性疏水鏈段，提高了陰離子交換膜的堿解穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)率，且點(diǎn)擊反應(yīng)形成的1，2，3-三氮唑環(huán)上氮原子為氫鍵提供了合適的位點(diǎn)，促進(jìn)離子簇的聚集和水合數(shù)的增加，有利于OH-的快速遷移。此法具有高效性和普適性，也為陰離子交換膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一條合理、簡便的新思路。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)擊反應(yīng)引入的1，2，3-三氮唑環(huán)具有較優(yōu)的耐堿性和熱穩(wěn)定性，不會影響陰離子交換膜的使用性能。
　　3、在咪唑環(huán)C2位上引入富電子的供電基，供電子基團(tuán)會通

5、過p-π或σ-π共軛作用將電子離域到電子云密度較低的咪唑環(huán)上，進(jìn)而可以有效降低C2位碳原子的電正性，顯著減弱OH-對咪唑環(huán)的親核進(jìn)攻，提高咪唑陽離子的堿解穩(wěn)定性。1HNMR結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在C2位引入甲硫基后所得的咪唑基陽離子具有優(yōu)異的耐堿性，其在4 M NaOH的D2O溶液中浸泡7d依然未見任何分解。此外，利用密度泛函理論(DFT)計(jì)算小分子咪唑鹽C2位電荷分布等參數(shù)，也證實(shí)引入甲硫基的咪唑鹽具有較好的穩(wěn)定性，并進(jìn)一步研究了其在制備高耐堿性