發(fā)布時(shí)間：2017-07-20 09:26

  本文關(guān)鍵詞：燃料電池用堿性陰離子交換膜的制備及性能研究

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【摘要】：堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFC)具有比功率高、發(fā)電效率高、環(huán)境友好性的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)避免了質(zhì)子交換膜燃料電池成本較高,甲醇透過率高的劣勢,而成為備受關(guān)注的新能源技術(shù)。堿性陰離子交換膜(AAEM)是堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFC)的核心部件,在電池運(yùn)行過程中起著隔離陰陽兩極及傳遞氫氧根離子的作用。在AAEMFC中,要求AAEM具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和較高的機(jī)械性能,并具有較高的離子傳導(dǎo)性能,以及較低的制作成本。但AAEM的研究還不成熟,目前研究較廣的是季銨鹽型陰離子交換膜,該膜還存在以下方面的問題：(1)離子傳導(dǎo)率較低；(2)化學(xué)穩(wěn)定性差尤其是在較高溫度下；(3)機(jī)械強(qiáng)度差。這些不足嚴(yán)重影響了.AAEMFC的廣泛商業(yè)化。因此,制備高性能的AAEM成為AAEMFC研究的重點(diǎn)之一�；谝陨蠁栴},本論文旨在制備高電導(dǎo)率、高穩(wěn)定性、優(yōu)良力學(xué)性能,經(jīng)濟(jì)環(huán)保的堿性陰離子交換膜。主要內(nèi)容如下：(1)采用高機(jī)械強(qiáng)度、高保濕性能、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能,且分子中含有大量羥基的細(xì)菌纖維素膜為原材料,利用靜電紡絲技術(shù)制備了納米TiO_2/BC復(fù)合纖維膜,采用XRD、 SEM、XPS等對復(fù)合膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)和形貌表征,并測試了復(fù)合纖維膜的含水率、孔隙率、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性等膜性能。結(jié)果顯示出：室溫下細(xì)菌纖維素溶液的質(zhì)量濃度為1.3 wt%-1.35 wt%,紡絲電壓為16-17 kV,紡絲距離為10-20 cm,紡絲速率為0.02-0.04 ml/min,這種條件下制備的靜電紡絲膜納米纖維分布均勻,且熱穩(wěn)定性較好。該膜的孔隙率隨Ti02添加量的增加先增大后減小,TiO_2質(zhì)量增加到0.03g／20m1紡絲溶液時(shí),孔隙率最大為95.5%,膜的含水率隨Ti02含量的增加而降低。當(dāng)Ti02添加量為0.05 g／20 ml紡絲溶液時(shí),制備的復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度為13.88 MPa,斷裂伸長率為25.47%,表明膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率足以滿足離子交換膜對應(yīng)力的要求,并可作為陰離子交換膜基體材料。(2)以3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨(CHPTAC)為季胺化試劑,經(jīng)過季胺化、堿化等反應(yīng),將季胺基團(tuán)引入BC/TiO_2復(fù)合膜中,成功制備出BC/TiO_2/CHPTAC-OH堿性陰離子交換復(fù)合膜。同時(shí)為了防止電池運(yùn)行過程中燃料的滲漏問題,采用PVA澆注復(fù)合膜,成功制備出TiO_2/BC/CHPTAC-OH/PVA堿性陰離子交換復(fù)合膜。最后考察了接枝膜的取代度、吸水率、離子交換容量、溶脹率、膜的機(jī)械強(qiáng)度等膜性能。結(jié)果表明當(dāng)堿與醚化劑的摩爾比為1.2：1,反應(yīng)時(shí)間為16h時(shí),制備的堿性膜取代度最高為1.16,含水率達(dá)到140%,離子交換容量最高接近于1 mmol/g,與其他堿性膜相比,取代度和離子交換容量都有明顯的提高,同時(shí)TiO_2/BC/CHPTAC堿性復(fù)合膜具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。PVA的加入增加了復(fù)合膜的機(jī)械性能,當(dāng)取代度達(dá)到最大時(shí)膜的拉伸強(qiáng)度最大為25.18MPa,斷裂伸長率最大為38.05%。同時(shí)復(fù)合膜離子電導(dǎo)率在80℃時(shí)最大為O.0093s／cm,初步表明TiO_2/BC/CHPTAC-OH/PVA復(fù)合膜材料有望作為一種新型的堿性燃料電池陰離子交換膜。
【關(guān)鍵詞】：細(xì)菌纖維素 靜電紡絲 TiO_2/BC/CHPTAC-OH/PVA 堿性陰離子交換復(fù)合膜
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-27
• 1.1 燃料電池概述12-13
• 1.1.1 燃料電池的分類及特點(diǎn)12-13
• 1.2 聚合物膜燃料電池概述13-16
• 1.2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)概述13-14
• 1.2.2 陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)概述14-16
• 1.3 陰離子交換膜(AEM)概述16-18
• 1.3.1 燃料電池對堿性陰離子交換膜(AEM)要求16
• 1.3.2 堿性陰離子交換膜的分類16-18
• 1.3.3 堿性陰離子交換膜面臨的問題及對策18
• 1.4 細(xì)菌纖維素概述18-21
• 1.4.1 細(xì)菌纖維素的合成18-19
• 1.4.2 細(xì)菌纖維素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)19-20
• 1.4.3 細(xì)菌纖維素在質(zhì)子交換膜中的應(yīng)用20-21
• 1.4.4 細(xì)菌纖維素膜及其纖維素再生膜的制備21
• 1.5 靜電紡絲概述21-25
• 1.5.1 靜電紡絲原理22
• 1.5.2 靜電紡絲的影響因素22-23
• 1.5.3 細(xì)菌纖維素靜電紡絲研究現(xiàn)狀23-25
• 1.6 本論文的主要研究內(nèi)容25-27
• 2 膜性能測試與表征27-31
• 2.1 膜結(jié)構(gòu)及形態(tài)測試27-28
• 2.1.1 溶液粘度測試27
• 2.1.2 X射線粉末衍射(XRD)27
• 2.1.3 掃描電子顯微鏡(SEM)27
• 2.1.4 原子力顯微鏡(AFM)27
• 2.1.5 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)27-28
• 2.1.6 熱重分析(TGA)28
• 2.1.7 X射線光電子能譜(XPS)28
• 2.2 膜性能測試28-31
• 2.2.1 取代度測試28
• 2.2.2 吸水率測試28-29
• 2.2.3 膜的孔隙率測試29
• 2.2.4 離子交換容量測試29
• 2.2.5 溶脹性能測試29
• 2.2.6 膜的機(jī)械性能測試29-30
• 2.2.7 膜的離子電導(dǎo)率測試30-31
• 3 TiO_2/BC紡絲纖維膜的制備與表征31-50
• 3.1 引言31-32
• 3.2 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器32-33
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑32
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備32-33
• 3.3 TiO_2/BC復(fù)合膜的制備33-34
• 3.3.1 納米TiO_2的制備33
• 3.3.2 靜電紡絲液的制備33-34
• 3.3.3 TiO_2/BC復(fù)合膜的制備34
• 3.4 結(jié)果與討論34-48
• 3.4.1 細(xì)菌纖維素的粘度性質(zhì)對靜電紡絲的影響34-35
• 3.4.2 收集方式對靜電紡絲膜的影響35-36
• 3.4.3 TiO_2/BC復(fù)合膜的X射線粉末衍射(XRD)分析36-37
• 3.4.4 TiO_2/BCM的形貌分析37-41
• 3.4.5 TiO_2/BCM紅外圖譜(IR)分析41-42
• 3.4.6 TiO_2/BC熱重分析42-43
• 3.4.7 吸水率測試43-44
• 3.4.8 孔隙率測試44
• 3.4.9 TiO_2/BCM的X射線光電子能譜(XPS)分析44-47
• 3.4.10 TiO_2/BC靜電紡絲膜的機(jī)械性能47-48
• 3.5 本章小結(jié)48-50
• 4 堿性陰離子交換復(fù)合膜的制備及其性能研究50-61
• 4.1 引言50
• 4.2 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器50-51
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑50-51
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備51
• 4.3 反應(yīng)原理51-52
• 4.4 復(fù)合膜的制備52-53
• 4.4.1 TiO_2/BC/CHPTAC-OH堿性陰離子交換復(fù)合膜的制備53
• 4.4.2 TiO_2/BC/CHPTAC-OH/PVA堿性陰離子交換澆注膜的制備53
• 4.5 結(jié)果與討論53-59
• 4.5.1 復(fù)合膜的形貌分析53-54
• 4.5.2 取代度測試54-55
• 4.5.3 紅外圖譜(IR)分析55-56
• 4.5.4 吸水率測試56
• 4.5.5 離子交換容量(IEC)測試56-57
• 4.5.6 堿性陰離子交換復(fù)合膜的溶脹性能表征57-58
• 4.5.7 機(jī)械性能表征58-59
• 4.5.8 電導(dǎo)率測試59
• 4.6 本章小結(jié)59-61
• 5 結(jié)論與展望61-63
• 5.1 結(jié)論61-62
• 5.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)62
• 5.3 本課題發(fā)展趨勢62-63
• 致謝63-64
• 參考文獻(xiàn)64-72
• 附錄72

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9 張t，

本文編號：567377