本文關鍵詞：N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜的制備與性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池是一種將化學能轉(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用等領域的發(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)子傳導率往往需要聚合物具有較高的磺化度,就難免會導致質(zhì)子交換膜吸水量劇增,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)子傳導的作用。另外,我們希望該陽離子-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�,本研究首先以C-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)子傳導率,其中SPEIN-50在80 o C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 o C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Nafion 117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用需求。眾所周知,相分離可進一步提高質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導率和抗溶脹性能,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)子傳導率,更好的尺寸穩(wěn)定性。其中,X20Y20在80 o C的質(zhì)子傳導率可達0.1406 S/cm,是Nafion 117的1.4倍。另外,在保持優(yōu)異力學強度和抗甲醇滲透性能的同時吸水膨脹率低于22%�？傊�,吲哚基團的引入使得目標質(zhì)子交換膜具有優(yōu)異的質(zhì)子傳導率和抗溶脹性能,N-芳基聚醚吲哚類質(zhì)子交換膜材料可作為高效燃料電池極佳的選擇。
【關鍵詞】：質(zhì)子交換膜 吲哚 質(zhì)子傳輸 抗溶脹
【學位授予單位】：西南科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-27
• 1.1 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）11-14
• 1.1.1 PEMFC的工作原理12-13
• 1.1.2 PEMFC對質(zhì)子交換膜的要求13-14
• 1.1.3 直接甲醇燃料電池（DMFC）14
• 1.2 質(zhì)子交換膜的分類14-18
• 1.2.1 全氟磺酸型質(zhì)子交換膜材料14-16
• 1.2.2 部分氟化的質(zhì)子交換膜16
• 1.2.3 芳香族類質(zhì)子交換膜16-18
• 1.3 芳香族類質(zhì)子交換膜的研究進展18-25
• 1.3.1 提高質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導率18-24
• 1.3.2 提高穩(wěn)定性降低甲醇滲透24-25
• 1.4 C-N/C-O偶聯(lián)構(gòu)筑吲哚聚合物25
• 1.5 本論文的研究目的及設計思路25-27
• 2 藥品和測試27-34
• 2.1 儀器和原料27-28
• 2.1.1 實驗儀器27
• 2.1.2 實驗主要原料和試劑27-28
• 2.2 表征方法和測試手段28-32
• 2.2.1 核磁氫譜28
• 2.2.2 紅外光譜28
• 2.2.3 分子量及分子量分布28
• 2.2.4 離子交換容量28-29
• 2.2.5 膜的吸水率和膨脹率29
• 2.2.6 質(zhì)子傳導率29-30
• 2.2.7 甲醇滲透率30-31
• 2.2.8 膜的微觀形貌分析31-32
• 2.2.9 熱重分析32
• 2.2.10 膜的機械性能32
• 2.3 Nafion117質(zhì)子交換膜的性能參數(shù)32-34
• 3 磺化N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜的制備與性能研究34-54
• 3.1 引言34
• 3.2 對于吲哚輔助質(zhì)子傳遞作用的探索34-36
• 3.3 磺化N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜的制備36-43
• 3.3.1 磺化二氟二苯甲酮單體的合成與表征36-39
• 3.3.2 聚合物的合成與表征39-42
• 3.3.3 膜的制備42-43
• 3.4 磺化N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜的性能研究43-52
• 3.4.1 磺化度和離子交換容量43-45
• 3.4.2 吸水率與膨脹率45-47
• 3.4.3 質(zhì)子傳導率47-50
• 3.4.4 甲醇滲透率50-51
• 3.4.5 熱重分析51-52
• 3.4.6 機械性能52
• 3.5 本章小結(jié)52-54
• 4 嵌段型磺化N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜的制備與性能研究54-66
• 4.1 引言54-55
• 4.2 嵌段型磺化N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜的制備55-58
• 4.2.1 聚合物的合成與表征55-57
• 4.2.2 膜的制備57-58
• 4.3 嵌段型磺化N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜的性能研究58-65
• 4.3.1 磺化度與離子交換容量58-59
• 4.3.2 吸水率和膨脹率59-61
• 4.3.3 質(zhì)子傳導率61-62
• 4.3.4 甲醇滲透率62-63
• 4.3.5 熱重分析63-64
• 4.3.6 機械性能64
• 4.3.7 微觀形貌64-65
• 4.4 本章小結(jié)65-66
• 結(jié)論66-67
• 致謝67-68
• 參考文獻68-75
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文及研究成果75

  本文關鍵詞：N-芳基聚醚吲哚質(zhì)子交換膜的制備與性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：279697