陰離子交換膜(AEMs)作為陰離子交換膜燃料電池的關(guān)鍵組件之一,對(duì)燃料電池的性能具有重要的影響。當(dāng)前針對(duì)AEMs的研究主要是尋找能適于燃料電池應(yīng)用的綜合性能優(yōu)異的聚合物膜,比如電導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)以及長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用環(huán)境下機(jī)械性能的穩(wěn)定性等。盡管通過(guò)對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)的改性,如構(gòu)建貫穿的納米離子通道和位阻效應(yīng)等,實(shí)現(xiàn)了AEMs離子傳導(dǎo)性或穩(wěn)定性的提高,但是膜的綜合性能要求仍然難以得到兼顧。共價(jià)交聯(lián)的改性方式能夠顯著提高膜的穩(wěn)定性,此外,還能有效避免高離子交換含量(IEC)下,電導(dǎo)率提高而使得膜高度溶脹的問(wèn)題,以及長(zhǎng)時(shí)間操作環(huán)境(高溫、高pH)下,機(jī)械性能降低,相應(yīng)造成電池性能下降的缺陷�；诏B氮基團(tuán)的共價(jià)交聯(lián)一方面能夠在外界條件下引發(fā),另一方面可以通過(guò)疊氮-二炔基的點(diǎn)擊反應(yīng)實(shí)現(xiàn),對(duì)設(shè)計(jì)改善當(dāng)前AEMs的性能以及合成新型的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)AEMs具有重大意義。在上述背景下,本文圍繞疊氮基團(tuán)設(shè)計(jì)制備交聯(lián)型或半交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò)陰離子交換膜并對(duì)其性能進(jìn)行研究,主要內(nèi)容和結(jié)論分為三個(gè)部分:(1)選取聚對(duì)氯甲基苯乙烯(PVBC)和疊氮化的聚苯醚(PPO-N_3)作為陰離子交換膜主體,其中PPO-N_3作為交聯(lián)AEMs的大分子交聯(lián)劑,接著通過(guò)紫外光照引發(fā)疊氮基團(tuán)交聯(lián)成膜,并進(jìn)行季胺化反應(yīng)。研究表明利用大分子交聯(lián)劑改性后的聚苯乙烯類AEMs的機(jī)械性能、耐溶脹性能和堿性穩(wěn)定性等顯著提高,同時(shí)電導(dǎo)率保持在合理水平。比如IEC為1.95 meq./g時(shí),交聯(lián)后膜的吸水率僅為22.4%,在500 h的堿性穩(wěn)定性測(cè)試后(80 oC下浸泡于1 M NaOH溶液)能保持約85%的初始電導(dǎo)率,同時(shí)膜的水合電導(dǎo)率值高于大部分已報(bào)道的交聯(lián)型AEMs文獻(xiàn)值。(2)在研究(1)的基礎(chǔ)上,通過(guò)額外添加二炔基交聯(lián)劑并在強(qiáng)堿催化下引發(fā)疊氮-二炔基點(diǎn)擊反應(yīng)交聯(lián)從而構(gòu)建以聚對(duì)氯甲基苯乙烯-聚苯乙烯共聚物(PVBC-PS)和PPO-N_3為AEMs基質(zhì)的半交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò)陰離子交換膜(sIPN AEMs)。新型sIPN AEMs改善了傳統(tǒng)交聯(lián)方式造成電導(dǎo)率損失的問(wèn)題,比如在IEC為1.47 meq./g時(shí),室溫下氫氧根形式膜的電導(dǎo)率可達(dá)38 mS/cm,這主要是親水性三唑環(huán)結(jié)構(gòu)的引入極大提高了膜的吸水率。另外,sIPN膜的堿性穩(wěn)定性優(yōu)異,700 h的堿性穩(wěn)定性測(cè)試后(80 o C下浸泡于1 M NaOH溶液)電導(dǎo)率仍然可以達(dá)到30 mS/cm。在60 oC H_2/O_2燃料電池測(cè)試中,sIPN AEMs的最大能量密度達(dá)到110 mW/cm2,同時(shí)500 mA/cm2恒電流下的燃料電池壽命測(cè)試中,24 h后保留50%以上的電池初始性能。(3)在研究(1)和(2)的基礎(chǔ)上,將嵌段結(jié)構(gòu)的聚合物(聚苯乙烯-b-聚(乙烯-co-異丁烯)-聚苯乙烯(SEBS))和側(cè)鏈型AEMs結(jié)構(gòu)與基于疊氮基團(tuán)的交聯(lián)方式結(jié)合起來(lái),分別采用高溫或二炔基交聯(lián)劑引發(fā)交聯(lián),對(duì)傳統(tǒng)側(cè)鏈型結(jié)構(gòu)的AEMs性能進(jìn)一步改進(jìn)同時(shí)比較兩種交聯(lián)型AEMs的綜合性能。研究表明相比于側(cè)鏈型AEMs,交聯(lián)后膜的堿性穩(wěn)定性得到了很大提高,500 h的堿性穩(wěn)定性測(cè)試后(80 oC下浸泡于不同濃度的NaOH溶液)均能保持約80%以上的初始電導(dǎo)率。此外,熱交聯(lián)方式形成分子結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致有效抑制膜的吸水率但是會(huì)損失部分電導(dǎo)率,而疊氮-二炔基的交聯(lián)方式由于親水性三唑環(huán)結(jié)構(gòu)的引入,能夠?qū)崿F(xiàn)電導(dǎo)率的提高,是更具有應(yīng)用前景的一種交聯(lián)方式。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ425.236;TM911.48

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 侯明;衣寶廉;;燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)[J];科技導(dǎo)報(bào);2016年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 林小城;面向堿性燃料電池應(yīng)用的陰離子交換膜的制備和表征[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

2 熊鷹;燃料電池用陰離子交換膜的制備與性能研究[D];廈門大學(xué);2009年

本文編號(hào)：1572573