復(fù)合型聚芳醚類質(zhì)子交換膜的制備與性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）作為一種清潔能源，有望應(yīng)用在便攜式儲(chǔ)能和供電站中，因此，得到了人們廣泛的關(guān)注。和傳統(tǒng)的發(fā)電裝置相比，質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)不需要燃燒化石燃料，而且污染物零排放。聚合物電解質(zhì)膜（PEM）作為質(zhì)子交換膜燃料電池的核心組成部分，其主要功能是將質(zhì)子從陽極運(yùn)輸?shù)疥帢O?，F(xiàn)在，商業(yè)可用的質(zhì)子交換膜（例如Nafion）仍然面臨一些問題，比如成本高，燃料滲透，在高溫下失水導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)率明顯下降等。因此，本論文針對(duì)上述問

2、題，制備兩種新型復(fù)合膜并開展研究工作。
　　磺化聚芳醚類質(zhì)子交換膜與現(xiàn)在商業(yè)化的 Nafion膜相比，在很多方面都表現(xiàn)出更優(yōu)良的性質(zhì)，例如，更好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，相近的質(zhì)子傳導(dǎo)率，更低的燃料滲透率，最為重要的是成本低廉。在本文中，制備了基于磺化聚芳醚酮砜（SPAEKS）的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合質(zhì)子交換膜。首先制備了磷鎢酸-離子液體填料（PWA-IL）。在PWA-IL中，通過磷鎢酸和離子液體中咪唑環(huán)離子相互作用，使他們緊密結(jié)合，然后將P

3、WA-IL摻雜到 SPAEKS中，不僅可以提高質(zhì)子傳導(dǎo)率，而且由于氫鍵的作用，減少了離子液體的流失。測試結(jié)果表明，PWA-IL的引入使質(zhì)子傳導(dǎo)率得到了明顯提高。尤為突出的是，將 SPAEKS-80/PWA-IL膜浸泡在水中132 h后，PWA-IL保留能力達(dá)到了98.4%，膜材料的穩(wěn)定性顯著提高，同時(shí)也提高了阻醇性能。SPAEKS-80/PWA-IL復(fù)合膜在80 oC時(shí)，質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)到0.127 S cm 1。
　　通過上述研究，

4、我們發(fā)現(xiàn)將PWA-IL引入到聚合物中有利于促進(jìn)質(zhì)子傳導(dǎo)，其中起到主要作用的是咪唑環(huán)。咪唑環(huán)作為堿性官能團(tuán)，容易和酸性官能團(tuán)形成酸堿對(duì)，在酸堿對(duì)中，質(zhì)子可以直接從質(zhì)子給體（酸基）跳躍到質(zhì)子受體（堿基）。這時(shí)質(zhì)子在一定程度上依賴 Grotthuss機(jī)理進(jìn)行傳輸。進(jìn)而，我們制備了不同種氮雜環(huán)修飾的聚芳醚酮聚合物質(zhì)子交換材料，并研究其高溫傳導(dǎo)性能。聚合物主鏈?zhǔn)撬募谆途鄯济淹≒AEK），通過NBS作為溴代試劑的溴代反應(yīng)后，得到一定溴化度的溴代

5、聚芳醚酮（BrPAEK）。利用活性溴甲基和氮雜環(huán)之間的相互作用，分別將吡啶（Pd），1-甲基咪唑（MeIm），苯三唑（BTA）和3-氨基-1,2,4-三唑（AmTr）引入到聚合物。所得到的四種膜材料磷酸吸附能力有所不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入甲基咪唑的膜能夠吸收相對(duì)較多的磷酸，同時(shí)表現(xiàn)出最高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。在170 oC無水條件下，BrPAEK-MeIm1.6的質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)到了0.091 S cm-1，同時(shí)熱穩(wěn)定性，氧化穩(wěn)定性和力學(xué)性能都較為