N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜的制備與性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。目前商業(yè)化的Nafion膜存在價格較高及甲醇滲透嚴重等問題，嚴重制約了其在工程應(yīng)用等領(lǐng)域的發(fā)展。這激發(fā)了人們?nèi)パ芯啃滦偷馁|(zhì)子交換膜材料。其中一個大家所認可的并且潛力巨大的替代產(chǎn)品是芳香型質(zhì)子交換膜材料。
　　然而，目前芳香型質(zhì)子交換膜的研究所面臨的一個主要問題是質(zhì)子傳導(dǎo)率與吸水膨脹及燃料滲透之間的平衡問題。提高質(zhì)子傳導(dǎo)率往往需要聚合物具有較高的磺化度，就難免會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜

2、吸水量劇增，溶脹嚴重。這對于其組裝與工作過程中的尺寸穩(wěn)定性、燃料的隔離及機械性能等都會產(chǎn)生不利的影響。因此，如何制備兼具較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率并且尺寸穩(wěn)定、燃料滲透率低的新型質(zhì)子交換膜仍是燃料電池的核心研究方向。
　　為了獲得質(zhì)子傳導(dǎo)率高、抗溶脹性能優(yōu)異的新型質(zhì)子交換膜材料，本研究擬把吲哚基團引入到聚合物鏈中，以期通過吲哚與H+之間的陽離子-π相互作用的可控構(gòu)建與解除實現(xiàn)類似磺酸基團的質(zhì)子傳輸作用，以實現(xiàn)輔助質(zhì)子傳導(dǎo)的作用。另外，我們希

3、望該陽離子-π相互作用能夠增強質(zhì)子交換膜分子鏈間相互作用，從而進一步提高目標質(zhì)子交換膜抗溶脹性能?；诖耍狙芯渴紫纫訡-N/C-O偶聯(lián)的方式，通過親核取代共縮聚的方法成功制備了一系列不同磺化度的的N-芳基聚醚吲哚（SPEIN-x）。通過紅外、核磁等方法對目標聚合物進行了結(jié)構(gòu)表征，表征結(jié)果與目標產(chǎn)物吻合良好。采用澆鑄的方法對SPEIN-x進行成膜并酸化，得到酸形式的質(zhì)子交換膜材料。測試結(jié)果表明SPEIN-x質(zhì)子交換膜具有優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)率

4、，其中SPEIN-50在80 oC條件下可達0.1286 S/cm，高于Nafion117。另外，SPEIN-x表現(xiàn)出優(yōu)異的抗溶脹性能，在100 oC高溫條件下，吸水膨脹率仍低于42％，為高溫下質(zhì)子交換膜尺寸穩(wěn)定性提供了保障。良好的尺寸穩(wěn)定性賦予了SPEIN-x較低的甲醇滲透率，僅為Nafion117膜的1/35-1/12，并且薄膜表現(xiàn)出了優(yōu)秀的機械性能，拉伸強度高于53 MPa，可以滿足質(zhì)子交換膜的長時間應(yīng)用需求。
　　眾所周知

5、，相分離可進一步提高質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率和抗溶脹性能，由此本研究成功制備了一系列親水段含有吲哚基團的嵌段型質(zhì)子交換膜，以期獲得綜合性能優(yōu)異的嵌段型N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜。通過測試表明，嵌段型N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜具有更高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，更好的尺寸穩(wěn)定性。其中，X20Y20在80 oC的質(zhì)子傳導(dǎo)率可達0.1406 S/cm，是Nafion117的1.4倍。另外，在保持優(yōu)異力學(xué)強度和抗甲醇滲透性能的同時吸水膨脹率低于22%?？傊?，吲