發(fā)布時(shí)間：2017-06-29 21:23

  本文關(guān)鍵詞：燃料電池自交聯(lián)季銨化聚醚砜陰離子交換膜的制備與研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本論文針對(duì)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池用陰離子交換膜電導(dǎo)率較低及穩(wěn)定性較差的問題,通過自交聯(lián)反應(yīng)制備了幾類基于季銨化聚醚砜的陰離子交換膜材料,考察了膜的吸水及膨脹特性、離子傳導(dǎo)率、熱／化學(xué)穩(wěn)定性等基本性能,并探討了膜結(jié)構(gòu)-交聯(lián)劑-性能之間的關(guān)系。首先,采用雙酚芴、六氟雙酚A和4,4'-二氟二苯砜為原料,經(jīng)親核取代、傅克氯甲基化,以三乙烯二胺(DABCO)及三甲胺為交聯(lián)劑及季銨化試劑,經(jīng)堿交換后,成功制備出一系列離子交換容量(IEC)約為1.20 mmol/g具有不同交聯(lián)度(0～100%)的DABCO交聯(lián)陰離子交換膜(BHPF-DABCO)。經(jīng)溶液澆鑄法制得的膜均透明柔韌,結(jié)構(gòu)均一。結(jié)果表明：隨著交聯(lián)度的增加,膜的吸水率先增大后減小,尺寸變化率及離子傳導(dǎo)率呈下降趨勢(shì),而高溫水解穩(wěn)定性和抗氧化穩(wěn)定性呈上升趨勢(shì)。在30～90℃,該系列交聯(lián)膜的吸水率為14.6～53.2%,尺寸變化率為3.3%-13.7%,離子傳導(dǎo)率為5.2-48.4 mS/cm。交聯(lián)膜在140℃的水解穩(wěn)定性大幅增強(qiáng),處理24 h后仍保持較高的機(jī)械強(qiáng)度且重量損失低于2.6%,交聯(lián)度≥60%時(shí),經(jīng)1 mol/LNaOH溶液于60℃處理168 h后,離子傳導(dǎo)率仍能保持70%以上。其次,以N、N、N'、N'-四甲基己二胺(TMHDA)代替DABCO,采用相似步驟制備了一系列IEC約為1.36-1.46mmol/g具有不同交聯(lián)度(0-100%)的TMHDA交聯(lián)陰離子交換膜(BHPF-TMHDA),膜均透明柔韌,結(jié)構(gòu)均一。結(jié)果表明：TMHDA交聯(lián)膜的吸水率、尺寸變化率、離子傳導(dǎo)率均隨著交聯(lián)度的增加而減小,但高溫水解穩(wěn)定性和抗氧化穩(wěn)定性隨著交聯(lián)度的增加而增強(qiáng)。在30～90℃,該系列交聯(lián)膜的吸水率為41.7～76.9%,尺寸變化率為4.0%-13.8%,離子傳導(dǎo)率為5.1-62.0 mS/cm。交聯(lián)度≥40%時(shí),交聯(lián)膜在140℃水中處理24 h后仍保持較高的機(jī)械強(qiáng)度且重量損失低于9.4%。與BHPF-DABCO系列膜相比,BHPF-TMHDA系列膜顯示出更好的抗氧化穩(wěn)定性,經(jīng)80℃Fenton試劑處理后能保持2.1～15.4 h不破碎,而前者僅為2.3～5.5 h。最后,以雙酚A代替剛性的雙酚芴,選擇TMHDA為交聯(lián)劑,制備了一系列IEC約為0.80 mmol/g的具有不同交聯(lián)度(0-100%)的TMHDA交聯(lián)陰離子交換膜(BPA-TMHDA),膜均透明柔韌,結(jié)構(gòu)均一。結(jié)果表明：盡管IEC低43%,BPA-TMHDA系列膜的吸水率、尺寸變化率及離子傳導(dǎo)率大幅高于BHPF-TMHDA系列膜。在30～90℃時(shí),該系列膜的吸水率達(dá)到86.3～160.6%,尺寸變化率為4.5-33.1%,離子傳導(dǎo)率為15.4～61.7 mS/cm。與BHPF-TMHDA系列膜相比,BPA-TMHDA系列膜高溫水解穩(wěn)定性及尺寸穩(wěn)定性較差。以上所有制備的自交聯(lián)型陰離子交換膜材料,在滿足最低離子傳導(dǎo)率(10mS/cm)要求的前提下,主鏈中含有雙酚芴單元,采用TMHDA為交聯(lián)劑的BHPF-TMHDA系列膜具有較好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性,在燃料電池中具有較好的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：燃料電池 陰離子交換膜 自交聯(lián) 三乙烯二胺(DABCO) N N N’ N’-四甲基己二胺(TMHDA)
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 1 緒論15-35
• 1.1 燃料電池15-16
• 1.2 聚合物電解質(zhì)燃料電池16-19
• 1.2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)17-18
• 1.2.2 陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)18-19
• 1.3 陰離子交換膜(AEM)19-30
• 1.3.1 商業(yè)化陰離子交換膜21
• 1.3.2 輻射接枝類(GF)陰離子交換膜21-22
• 1.3.3 聚醚砜類(PES)陰離子交換膜22-25
• 1.3.4 聚芳醚酮類(PAEK)陰離子交換膜25-26
• 1.3.5 聚苯并咪唑類(PBI)陰離子交換膜26-28
• 1.3.6 聚乙烯醇類(PVA)陰離子交換膜28-29
• 1.3.7 其他類型陰離子交換膜29-30
• 1.4 陰離子交換膜(AEM)存在的問題及其改性30-34
• 1.4.1 陰離子交換膜(AEM)降解機(jī)理31
• 1.4.2 陰離子交換膜(AEM)改性方法31-34
• 1.5 本論文的研究目的和主要內(nèi)容34-35
• 2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法35-42
• 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)原料35-37
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備35
• 2.1.2 原料與試劑35-36
• 2.1.3 試劑精制與原料純化36-37
• 2.2 表征方法37-42
• 2.2.1 核磁共振分析37
• 2.2.2 紅外譜圖分析(FTIR)37
• 2.2.3 相對(duì)黏度37-38
• 2.2.4 離子交換容量(IEC)38
• 2.2.5 吸水率(WU)和尺寸變化(Size change)38-39
• 2.2.6 離子傳導(dǎo)率(σ)39
• 2.2.7 機(jī)械性能39-40
• 2.2.8 溶解性40
• 2.2.9 高溫水解穩(wěn)定性40
• 2.2.10 耐堿穩(wěn)定性40
• 2.2.11 甲醇吸收率(MU)40-42
• 3 BHPF-DABCO自交聯(lián)季銨化聚芳醚砜類AEM的制備及性能42-53
• 3.1 引言42
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分42-43
• 3.2.1 無規(guī)聚合物的制備42-43
• 3.2.2 氯甲基化43
• 3.2.3 交聯(lián)處理及膜的制備43
• 3.3 結(jié)果與討論43-52
• 3.3.1 聚合物的合成及膜的制備43-45
• 3.3.2 聚合物與膜的核磁、紅外表征45-46
• 3.3.3 溶解性46
• 3.3.4 吸水率、尺寸變化及IEC46-49
• 3.3.5 離子傳導(dǎo)率49-50
• 3.3.6 水解穩(wěn)定性和耐堿穩(wěn)定性50-51
• 3.3.7 機(jī)械性能51
• 3.3.8 抗氧化穩(wěn)定性51-52
• 3.4 本章小結(jié)52-53
• 4 探究不同結(jié)構(gòu)交聯(lián)劑對(duì)自交聯(lián)季銨化聚醚砜類AEM的影響53-64
• 4.1 引言53
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分53-54
• 4.3 結(jié)果與討論54-62
• 4.3.1 聚合物的合成及膜的制備54
• 4.3.2 聚合物與膜的核磁、紅外表征54-55
• 4.3.3 溶解性55-56
• 4.3.4 吸水率、尺寸變化及IEC56-58
• 4.3.5 離子傳導(dǎo)率58-59
• 4.3.6 水解穩(wěn)定性及耐堿穩(wěn)定性59-60
• 4.3.7 機(jī)械性能60-61
• 4.3.8 抗氧化穩(wěn)定性61-62
• 4.3.9 甲醇吸收率62
• 4.4 本章小結(jié)62-64
• 5 探究主鏈的剛?cè)嵝詫?duì)自交聯(lián)季銨化聚醚砜類AEM的影響64-76
• 5.1 引言64
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分64-65
• 5.2.1 無規(guī)共聚物的合成64-65
• 5.2.2 氯甲基化65
• 5.2.3 交聯(lián)處理及膜的制備65
• 5.3 結(jié)果與討論65-74
• 5.3.1 聚合物的合成及膜的制備65-66
• 5.3.2 聚合物與膜的核磁、紅外表征66-67
• 5.3.3 溶解性67-68
• 5.3.4 吸水率、尺寸變化及IEC68-70
• 5.3.5 離子傳導(dǎo)率70-71
• 5.3.6 水解穩(wěn)定性及耐堿穩(wěn)定性71-72
• 5.3.7 機(jī)械性能72-73
• 5.3.8 抗氧化穩(wěn)定性73-74
• 5.3.9 甲醇吸收率74
• 5.4 本章小結(jié)74-76
• 6 結(jié)論76-78
• 致謝78-79
• 參考文獻(xiàn)79-86
• 附錄86

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