本文關(guān)鍵詞：膜內(nèi)離子傳遞特性強(qiáng)化途徑研究

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【摘要】：燃料電池被譽(yù)為具有前途的新科技之一。離子交換膜是燃料電池的關(guān)鍵部件,其性能直接影響了燃料電池的諸如輸出功率、開(kāi)路電壓等關(guān)鍵參數(shù)。本研究圍繞離子交換膜的膜內(nèi)離子傳遞行為與離子交換膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系,通過(guò)建立模型和理論推導(dǎo),確定了從離子濃度、離子淌度以及膜內(nèi)通道形貌三個(gè)途徑強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞特性的研究方向,并分別從這三個(gè)途徑提出了強(qiáng)化離子交換膜離子傳導(dǎo)特性的方法,以期為面向應(yīng)用過(guò)程質(zhì)子交換膜材料的設(shè)計(jì)提供一定參考。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:1、提升離子淌度強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞:使用植酸作為磷酸基團(tuán)供體、MIL101為載體制備了復(fù)合材料,對(duì)磷酸基團(tuán)進(jìn)行了固定化。該復(fù)合材料顯示出低植酸流失率和高負(fù)載率(11.54 wt%)。將其與Nafion膜雜化,所制備雜化膜較Nafion膜在10.5%濕度下離子傳導(dǎo)率性能提升11倍。失水時(shí)氫鍵網(wǎng)絡(luò)斷裂,離子淌度驟降是導(dǎo)致低濕度下離子傳導(dǎo)率衰減的主要原因。磷酸在低濕度下可通過(guò)自解離而構(gòu)建氫鍵網(wǎng)絡(luò)。向膜內(nèi)引入磷酸可有效地促進(jìn)低濕度下膜內(nèi)離子通過(guò)跳躍機(jī)理傳遞,維持離子淌度,從而強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞特性。2、提升離子濃度強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞:離子濃度與離子傳導(dǎo)率呈正相關(guān),提升離子濃度是一種簡(jiǎn)易而有效的提升離子傳導(dǎo)率的途徑。通過(guò)制備高改性度的咪唑摀鹽化聚醚醚酮作為高分子基質(zhì),賦予離子交換膜達(dá)3.15-2.31 mmol g-1的高離子交換容量及1.89-1.80 mmol cm-3的高離子濃度,使離子交換膜具有高達(dá)76.38mS cm-1的離子傳導(dǎo)率(80 oC)。此外,使用磺化聚醚醚酮作為離子交聯(lián)劑,向膜內(nèi)引入強(qiáng)離子相互作用,有效防止了高離子濃度帶來(lái)的穩(wěn)定性下降問(wèn)題。所制備共混膜的機(jī)械性能、物理穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性能和阻醇性能均有顯著提升。3、優(yōu)化通道函數(shù)強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞:通道是離子傳遞發(fā)生的場(chǎng)所與路徑,通道的特性關(guān)系到膜內(nèi)離子傳遞特性。使用具有籠狀結(jié)構(gòu)的MIL101晶體材料作為膜基質(zhì),通過(guò)負(fù)載咪唑摀鹽賦予其離子傳導(dǎo)能力。將其壓制成膜,借助其規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu),構(gòu)建規(guī)則有序的離子傳遞通道,縮短離子傳遞路徑、減小離子傳遞阻力,從而強(qiáng)化膜質(zhì)子傳遞特性。所制備無(wú)機(jī)膜具有很高的通道函數(shù)值,較Nafion膜提升73%。該無(wú)機(jī)膜雖離子密度較低(0.63 mmol cm-3),離子傳導(dǎo)率仍可達(dá)到0.126 mS cm-1(80 oC)。
【關(guān)鍵詞】：離子交換膜 傳遞特性 離子淌度 離子濃度 通道函數(shù)
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TQ425.236;TM911.48
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-33
• 1.1 離子交換膜燃料電池的研究背景11-17
• 1.1.1 我國(guó)能源現(xiàn)狀11-13
• 1.1.2 新能源的前景13-14
• 1.1.3 離子交換膜燃料電池14-17
• 1.2 離子交換膜17-21
• 1.2.1 離子交換膜簡(jiǎn)介17-18
• 1.2.2 離子交換膜的研究進(jìn)展及仍面臨的問(wèn)題18-21
• 1.3 膜內(nèi)離子傳遞的影響因素和強(qiáng)化思路21-31
• 1.3.1 膜內(nèi)離子傳遞的產(chǎn)生及影響因素21-26
• 1.3.2 通過(guò)提升離子淌度強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞26-28
• 1.3.3 通過(guò)提升離子濃度強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞28-29
• 1.3.4 通過(guò)優(yōu)化通道函數(shù)強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞29-31
• 1.4 論文選題與主要研究思路31-33
• 第二章 通用實(shí)驗(yàn)部分33-45
• 2.1 試劑與設(shè)備33-35
• 2.1.1 原料試劑33-34
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備34-35
• 2.2 材料表征35-38
• 2.2.1 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）與高分辨率射透射掃描電鏡（HRTEM）35
• 2.2.2 能量彌散X射線能譜（EDS）35-36
• 2.2.3 X射線衍射（XRD）36
• 2.2.4 X射線光電子能譜 (XPS)36
• 2.2.5 電感耦合等離子體光譜（ICP）36
• 2.2.6 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）36-37
• 2.2.7 ~1H核磁共振（~1H NMR）37
• 2.2.8 BET比表面積37
• 2.2.9 熱重分析（TGA）37-38
• 2.3 離子交換膜的表征38-45
• 2.3.1 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）38
• 2.3.2 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）38
• 2.3.3 X射線光電子能譜 (XPS)38
• 2.3.4 熱重分析（TGA）38
• 2.3.5 差示掃描量熱（DSC）38-39
• 2.3.6 吸水率和溶脹度39
• 2.3.7 離子交換容量（IEC）39-40
• 2.3.8 甲醇滲透率測(cè)試40-41
• 2.3.9 質(zhì)子傳導(dǎo)率41-43
• 2.3.10 離子濃度43
• 2.3.11 表觀離子淌度43-45
• 第三章 通過(guò)提升離子淌度強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞特性45-63
• 3.1 引言45-48
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分48-50
• 3.2.1 金屬有機(jī)框架材料MIL101的合成與純化48
• 3.2.2 植酸的注入48-49
• 3.2.3 phytic@MIL/Nafion雜化膜的制備49-50
• 3.2.4 植酸的動(dòng)態(tài)流失速率50
• 3.3 表征與結(jié)果50-61
• 3.3.1 MIL101的成功合成與后處理50-52
• 3.3.2 phytic@MIL中植酸的注入52-53
• 3.3.3 phytic@MIL中植酸的分布53-54
• 3.3.4 phytic@MIL中植酸的流失54-55
• 3.3.5 phytic@MIL的熱穩(wěn)定性能55-56
• 3.3.6 雜化膜的結(jié)構(gòu)56
• 3.3.7 phytic@MIL與雜化膜的相互作用56-57
• 3.3.8 雜化膜的機(jī)械性能57-58
• 3.3.9 雜化膜的熱穩(wěn)定性能58-59
• 3.3.10 雜化膜的吸水與溶脹59-60
• 3.3.11 雜化膜的離子傳導(dǎo)率60-61
• 3.4 小結(jié)61-63
• 第四章 通過(guò)提升離子密度強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞特性63-80
• 4.1 引言63-65
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分65-68
• 4.2.1 磺化聚醚醚酮的合成65-66
• 4.2.2 聚醚醚酮的氯甲基化66
• 4.2.3 共混膜的制備66-67
• 4.2.4 膜的溶解性67-68
• 4.2.5 膜堿穩(wěn)定性的表征68
• 4.3 表征與結(jié)果68-78
• 4.3.1 氫核磁共振譜68-69
• 4.3.2 膜的形貌69-70
• 4.3.3 磺化聚醚醚酮與咪唑聚醚醚酮間的相互作用70-71
• 4.3.4 膜的物理穩(wěn)定性71-73
• 4.3.5 膜的熱穩(wěn)定性73-75
• 4.3.6 膜的堿穩(wěn)定性75
• 4.3.7 膜的IEC和離子傳導(dǎo)75-77
• 4.3.8 膜的離子濃度和離子淌度77-78
• 4.3.9 膜的甲醇滲透78
• 4.4 小結(jié)78-80
• 第五章 通過(guò)優(yōu)化通道函數(shù)強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞特性80-95
• 5.1 引言80-81
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分81-83
• 5.2.1 金屬有機(jī)框架材料MIL101的合成與純化81
• 5.2.2“瓶中船”法固定咪唑摀鹽基團(tuán)81-83
• 5.2.3 咪唑摀鹽的流失83
• 5.2.4 SBMIL無(wú)機(jī)膜的壓制83
• 5.3 表征與結(jié)果83-94
• 5.3.1 rawMIL，pureMIL，，SBMIL的形貌83-84
• 5.3.2 咪唑摀鹽的成功注入與分布情況84-86
• 5.3.3 無(wú)機(jī)膜的形貌86-87
• 5.3.4 無(wú)機(jī)膜的吸水、失水、溶脹和機(jī)械性能87-88
• 5.3.5 咪唑摀鹽電解液的流失88-90
• 5.3.6 無(wú)機(jī)膜的熱穩(wěn)定性能90-91
• 5.3.7 無(wú)機(jī)膜的離子傳導(dǎo)率及膜內(nèi)離子傳遞行為91-93
• 5.3.8 無(wú)機(jī)膜的甲醇滲透93-94
• 5.4 小結(jié)94-95
• 第六章 通過(guò)MIL材料在有機(jī)膜中構(gòu)建離子傳遞通道95-105
• 6.1 引言95-96
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分96-97
• 6.2.1 金屬有機(jī)框架材料MIL101的合成與純化96
• 6.2.2 金屬有機(jī)框架材料MIL101的磺化96
• 6.2.3 聚醚醚酮的磺化96
• 6.2.4 SPEEK/sul-MIL雜化膜的制備96-97
• 6.3 表征與結(jié)果97-103
• 6.3.1 MIL101的形貌97
• 6.3.2 MIL101的成功合成與磺化97-98
• 6.3.3 sul-MIL的熱穩(wěn)定性能98-99
• 6.3.4 雜化膜的形貌99-100
• 6.3.5 雜化膜的熱穩(wěn)定性能100
• 6.3.6 sul-MIL與高分子的相互作用100-101
• 6.3.7 雜化膜的吸水與溶脹101-102
• 6.3.8 雜化膜的甲醇滲透102-103
• 6.3.9 雜化膜的離子傳導(dǎo)率103
• 6.4 小結(jié)103-105
• 第七章 結(jié)論與展望105-108
• 7.1 結(jié)論105-106
• 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)106
• 7.3 展望106-108
• 參考文獻(xiàn)108-123
• 發(fā)表論文和科研情況說(shuō)明123-127
• 致謝127-128

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1 宋月紅,金楊,韓樹(shù)亮;形狀非一致網(wǎng)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)及傳遞特性研究[J];北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào);2004年04期

2 王世強(qiáng);金楊;史瑞芝;宋月紅;;形狀漸變型網(wǎng)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與傳遞特性測(cè)試[J];印刷技術(shù);2007年16期

3 王晶,劉美蓮,馮濤;消聲器傳遞特性的有限元計(jì)算方法[J];北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2005年04期

4 張紹英;高t熻

本文編號(hào)：587189