含不同氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜制備與性能研究.pdf

1、新能源研究和應(yīng)用越來越受關(guān)注，利用氫能源作為燃料的質(zhì)子交換燃料電池(PEMFC)因其清潔、高效的特點也受到科研學者的廣泛研究，而質(zhì)子交換膜(PEM)的性能影響對PEMFC的應(yīng)用十分關(guān)鍵。
　　目前應(yīng)用較為成熟的PEM是DuPont公司生產(chǎn)的Nafion膜，但其價格昂貴，高溫下因水分流失而使得其質(zhì)子傳導(dǎo)性降低。結(jié)合質(zhì)子的傳導(dǎo)機理，本論文研究了含不同氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜材料的制備與性能，并從分子設(shè)計的角度出發(fā)，根據(jù)聚芳醚砜類材料較為

2、良好的機械性能和熱穩(wěn)定性的特點，通過直接縮聚法合成一系列具有相同磺化度不同氮雜環(huán)含量及種類的磺化聚芳醚砜共聚物，從而使磺酸基團與氮雜環(huán)都固定在聚合物骨架上，這樣一方面防止氮雜環(huán)會像小分子化合物通過物理摻雜而易導(dǎo)致脫落的問題，另一方面也避免了在后磺化的過程中聚合物的磺化度難以控制或副反應(yīng)的發(fā)生等問題。
　　本文所討論的氮雜環(huán)主要是噁二唑和三唑，由此引伸出不同種類氮雜環(huán)對膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率的影響。因此，首先制備了噁二唑及三唑單體，并通過紅

3、外光譜和核磁測試證明了單體的結(jié)構(gòu)，然后分別利用這兩種單體制備了含氮雜環(huán)磺化聚合物膜。通過對這兩個系列膜性能的測試和研究，兩種膜材料都具有較好的吸水性能，相對較高溫下可以傳遞質(zhì)子。膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率展現(xiàn)較低的相對濕度依賴性。在100℃，相對濕度為20％條件下，SPAEKST-30％的質(zhì)子傳導(dǎo)率達到了1.1 mScm-1。比對來講，含三唑聚合物保水能力更好些，但吸水率及溶脹率也都較高，而含噁二唑聚合物的保水力略弱，但尺寸穩(wěn)定性良好，均有利有弊。

4、
　　為了進一步提高膜的機械性能和結(jié)構(gòu)的致密性，本文還利用共溶劑法制備了磺化聚芳醚酮砜/聚芳醚砜噁二唑復(fù)合膜，旨在將磺化單體與氮雜環(huán)分別固定在不同的聚合物主鏈上，由此減小鏈空間位阻，從而改善膜結(jié)構(gòu)的致密性和機械性能。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合膜具有良好的尺寸穩(wěn)定性和阻醇性能，掃描電子顯微鏡(SEM)照片顯示，復(fù)合膜具有較好的致密結(jié)構(gòu)，其甲醇滲透系數(shù)為3.9×10-7～6.6×10-7crn2/s，低于SPAEKS的8.7×10-7cm2