基于細(xì)菌纖維素的質(zhì)子交換膜的制備、表征及其在燃料電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、細(xì)菌纖維素(Bacterial Cellulose，BC)是一種由微生物發(fā)酵產(chǎn)生的天然高分子納米材料，其化學(xué)本質(zhì)是纖維素。相比于植物纖維素，細(xì)菌纖維素具有三維納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高機(jī)械強(qiáng)度、高結(jié)晶度、高化學(xué)純度、高親水性、低氣體滲透性以及良好的生物相容性等特點(diǎn)，使之在食品、造紙、生物醫(yī)學(xué)工程、滲透汽化膜、聲音振動(dòng)膜等方面得到良好的應(yīng)用。除此之外，細(xì)菌纖維素在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)關(guān)鍵材料上的應(yīng)用也獲得不少關(guān)注，包括催化劑、氣體擴(kuò)散層

2、以及質(zhì)子交換膜。然而，上述研究主要偏向于前兩者，而關(guān)于細(xì)菌纖維素制備質(zhì)子交換膜的研究不夠系統(tǒng)深入。因此，本課題通過(guò)摻雜各種小分子有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸制備了用于PEMFC的酸摻雜細(xì)菌纖維素質(zhì)子交換膜，然后采用各種方法將BC與Nafion結(jié)合制備出BC醇勻漿/Nafion混合膜和各種BC/Nafion復(fù)合膜用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質(zhì)子交換膜。
　　 研究首先通過(guò)比較不同的BC膜狀態(tài)、摻雜酸的種類(lèi)和干燥方式對(duì)成膜性的影響，優(yōu)選出烘

3、干BC膜進(jìn)行摻雜處理，磷酸、植酸作為摻雜酸，采用低溫干燥使浸酸后的BC膜干燥成膜。然后，本課題比較研究了磷酸和植酸摻雜BC膜的紅外光譜、熱失重性質(zhì)、力學(xué)性能、含水率和酸摻雜水平、質(zhì)子傳導(dǎo)率等性質(zhì)。最終將合適地樣品與催化劑、碳紙組裝并以優(yōu)化過(guò)的熱壓條件熱壓形成膜電極(MEA)，進(jìn)而組裝成單電池，進(jìn)行氫氧燃料電池的發(fā)電性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明酸摻雜BC膜中磷酸、植酸與纖維素之間存在氫鍵相互作用，且都具有良好的熱穩(wěn)定性，良好的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，

4、合適的吸水率，較高的酸摻雜水平，較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。選擇8M磷酸和1.6 M植酸摻雜BC膜，分別采用PTFE薄片作介質(zhì)、80 ℃、10MPa、6min和PTFE薄片作介質(zhì)、80 ℃、6MPa、3min的熱壓條件制備MEA，分別最大可獲得30.7 mW cm-2(60℃)和20.6 mW cm-2(80 ℃)的功率密度。
　　 本課題通過(guò)氣相色譜測(cè)定了純BC膜的甲醇滲透率，驗(yàn)證了具其良好的阻甲醇性，并且甲醇濃度越高阻醇效果越明顯。由

5、此，實(shí)驗(yàn)采用BC勻漿制備了不同比例的BC/Nafion混合膜并嘗試將其應(yīng)用于DMFC質(zhì)子交換膜上。實(shí)驗(yàn)考查了BC與Nafion比例以及高溫韌化處理對(duì)混合膜的紅外光譜性質(zhì)、熱學(xué)性能(TG，DSC，DMA)、力學(xué)性能(DMA)、吸水率、質(zhì)子傳導(dǎo)率、甲醇滲透率等性質(zhì)和參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)證明BC與Nafion之間存在氫鍵相互作用，Nafion比例越高各個(gè)吸收峰強(qiáng)度越大；韌化處理使得混合膜脫水，氫鍵相互作用減弱；BC/Nafion混合膜為非均相共混

6、膜，具有兩個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程、良好的熱穩(wěn)定性(低于120℃)、高的楊氏模量、較高的吸水率和質(zhì)子傳導(dǎo)率以及較低的甲醇滲透率；韌化處理后上述性質(zhì)除了吸水率和甲醇滲透率顯著下降之外，其他性質(zhì)幾乎保持不變或有稍有提高，從而使得韌化處理后的BC/Nafion混合膜選擇性更高，更適合應(yīng)用于DMFC。
　　 本研究進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了五種方法制備BC/Nafion夾心復(fù)合膜，通過(guò)初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)象分析得出凍于浸泡法制備的BC/Nafion復(fù)合膜、層層