多功能空心微球用于強化質(zhì)子交換膜質(zhì)子傳導特性研究.pdf

1、為提高燃料電池質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導性能,受自然界中植物細胞內(nèi)液泡的結(jié)構(gòu)和功能啟發(fā),基于膜內(nèi)水環(huán)境優(yōu)化和質(zhì)子傳遞通道構(gòu)建的思想,設(shè)計合成了一系列類液泡的多功能空心微球,并將其填充于磺化聚醚醚酮(SPEEK)中,制備出多種直接甲醇燃料電池用新型質(zhì)子交換膜,系統(tǒng)研究了該類填充材料對質(zhì)子交換膜(PEM)性能的影響。
　　采用軟模板法合成出無機空心二氧化鈦微球(Hollow Titania Spheres,HTS,420nm),進而利用氨基

2、三甲叉膦酸(ATMP)與二氧化鈦的螯合反應對HTS進行磷酸化修飾,制備出磷酸功能化二氧化鈦空心球(Phosphorylated Hollow Titania Spheres,HTSP),并將其分散到SPEEK內(nèi)制備出高性能雜化質(zhì)子交換膜(SPEEK/HTSP)。HTSP的引入增強了雜化膜的熱穩(wěn)定性、抗溶脹性及阻醇性能。同時,HTSP的空心內(nèi)腔結(jié)構(gòu)在PEM內(nèi)起到了類似“蓄水池”的作用,顯著提高了膜的吸水率。空心殼層表面富集的磷酸根可在膜內(nèi)

3、構(gòu)建出新的質(zhì)子傳遞通道,從而增強了膜的質(zhì)子傳導特性。HTSP填充量為15％的SPEEK/HTSP-15雜化膜在室溫和70oC條件下,其質(zhì)子傳導率分別達到2.39×10-2S/cm和2.56×10-1S/cm,是純SPEEK膜在相同條件下質(zhì)子傳導率的3倍和2倍。
　　采用沉淀共蒸餾法合成出有機高分子咪唑微囊(IMCs),進而采用浸入法制備了磷鎢酸負載咪唑微囊(IMCs-HPW),并將其分散到SPEEK內(nèi)制備出高性能復合質(zhì)子交換膜(S

4、PEEK/IMCs-HPW)。IMCs-HPW微囊的引入顯著提高了膜的吸水-保水能力,同時微囊上的堿性咪唑基團與膜內(nèi)的磺酸根間強的靜電引力作用強化了膜的抗溶脹性及阻醇性能。IMCs-HPW作為“酸池”在水分子的參與下在SPEEK主體與微囊的界面區(qū)以及微囊內(nèi)部構(gòu)建出連續(xù)質(zhì)子傳導通道,進而降低了質(zhì)子在膜內(nèi)的傳遞阻力,強化了膜的質(zhì)子傳導特性。室溫下SPEEK/IMCs-HPW-15復合膜的質(zhì)子傳導率達到0.0316S/cm,相比純SPEEK膜

5、增加了約3倍。
　　采用沉淀共蒸餾法合成出聚甲基丙烯酸填充的咪唑微囊(IMCs-PMAA)多功能空心納米球,并將其填充于SPEEK內(nèi)制備出高性能復合質(zhì)子交換膜(SPEEK/IMCs-PMAA)。微囊的加入提高了膜的吸水率,同時咪唑與磺酸根之間強相互作用抑制了高分子鏈段的運動性,減小了親水性離子簇通道,進而增強了膜的抗溶脹性及阻醇性能。咪唑基團-磺酸根酸堿對在界面區(qū)形成質(zhì)子通道,同時具有高水合能的羧酸官能團進一步優(yōu)化膜內(nèi)水環(huán)境,并在