本文關(guān)鍵詞：殼聚糖基堿性陰離子交換復(fù)合膜的設(shè)計(jì)、制備與燃料電池應(yīng)用研究

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【摘要】：由于具有反應(yīng)動(dòng)力學(xué)快、甲醇滲透率低、不會(huì)生成碳酸鹽、CO中毒概率小、非鉑催化劑的使用等優(yōu)點(diǎn),堿性陰離子交換復(fù)合膜燃料電池已成為近年來的研究熱點(diǎn)。然而,氫氧根離子(OH-)的擴(kuò)散速率僅為氫離子(H+)的1/4,因此獲得較高的電導(dǎo)率、降低活化極化,對(duì)堿性陰離子交換復(fù)合膜的研究尤為重要。另一方面,膜的穩(wěn)定性,尤其是在高濃度的堿液中的耐堿穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性是制約堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFCs)發(fā)展的一個(gè)重要因素。本論文通過溶液澆注法制備了基于殼聚糖／水溶性氯化-1-乙烯基-3-甲基-1H-咪唑與1-乙烯基-2-吡咯烷酮的聚合物的堿性交換復(fù)合膜(Chitosan/EMImC-Co-EP-OH-),并成功應(yīng)用于燃料電池。由于引入了含有穩(wěn)定的咪唑環(huán)結(jié)構(gòu)的EMImC-Co-EP,以及物理-化學(xué)雙交聯(lián)法在膜內(nèi)形成的致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使此類復(fù)合膜不僅具有優(yōu)良的電導(dǎo)率(0.01S cm-1),而且具有良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的機(jī)械性能。采用了傅里葉紅外分析(FTIR)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)、熱重分析(TGA)和交流阻抗(AC impedance)等方法詳細(xì)考察了Chitosan/EMImC-Co-EP-OH陰離子交換復(fù)合膜的分子結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性、耐堿穩(wěn)定性、電導(dǎo)率和含水率,以及組分效應(yīng)、交聯(lián)方式、氧化石墨烯(GO)摻雜及PVA-Chitosan共混對(duì)膜的發(fā)電性能的影響,具體結(jié)論如下：(1)紅外譜圖和電鏡照片研究表明：Chitosan/EMImC-Co-EP-OH-陰離子交換復(fù)合膜內(nèi)部形成了致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),說明物理-化學(xué)雙交聯(lián)法成功應(yīng)用于該類膜的制備。(2)Chitosan/EMImC-Co-EP-OH陰離子交換復(fù)合膜具有較高的電導(dǎo)率,且電導(dǎo)率隨著EMImC-Co-EP含量的增加而增加,在Chitosan /EMImC-Co-EP質(zhì)量比為1：0.75時(shí)達(dá)到最大值0.011 S cm-1,此后進(jìn)一步增加EMImC-Co-EP含量導(dǎo)致電導(dǎo)率的下降。(3)電鏡照片和膜的機(jī)械性能測(cè)試表明：當(dāng)Chitosan /EMImC-Co-EP質(zhì)量比為1：0.75和1：1時(shí),膜內(nèi)發(fā)生了明顯的相分離現(xiàn)象,故機(jī)械性能較差,其拉伸強(qiáng)度小于2 MPa,而伸長(zhǎng)率僅為1.57%。(4)因選用含有穩(wěn)定五元環(huán)結(jié)構(gòu)的咪唑鹽,所以,Chitosan /EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性及耐堿穩(wěn)定性。膜的起始分解溫度達(dá)225℃；在8 M85℃高濃度KOH溶液中300h后,電導(dǎo)率仍維持在0.01 S cm-1左右；在常溫30%H2O2溶液中,也表現(xiàn)出相對(duì)較高的穩(wěn)定性。(5)GO和PVA的添加使得膜的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高,特別是表現(xiàn)在膜的力學(xué)性能上。拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)表明：摻雜1% GO的Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜(Chitosan /EMImC-Co-EP質(zhì)量比為1：0.75),其拉伸強(qiáng)度為33.63 MPa,伸長(zhǎng)率為9.77%,而未摻雜GO的同質(zhì)量比的膜的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率僅分別為1.68MPa和1.57%。而添加PVA后,膜的機(jī)械強(qiáng)度更是發(fā)生了質(zhì)的飛躍。其中,Chitosan和PVA質(zhì)量比為3：2的Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度最差,其拉伸強(qiáng)度為7.39MPa,伸長(zhǎng)率為50.5%。(6)初步單電池發(fā)電結(jié)果顯示：以Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜所制備的膜電極(MEA)具有優(yōu)良的發(fā)電性能。Chitosan/EMImC-Co-EP質(zhì)量比分別為1：0.5和1：0.75的MEA發(fā)電功率分別為21.7和11.4 mW cm-2,開路電壓(OCV)分別為0.92V(Chitosan/EMImC-Co-EP=1:0.5)和0.82V (Chitosan/EMImC-Co-EP =1:0.75)。進(jìn)一步摻雜GO后的發(fā)電功率得到明顯提高,室溫下發(fā)電功率密度最高達(dá)到37.3 mW cm-2,比未摻雜GO提高了2倍多。而以Chitosan/PVA質(zhì)量比為3：2的Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜所制備的MEA發(fā)電功率也比未添加PVA的Chitosan/EMImC-Co-EP質(zhì)量比為1：0.75的Chitosan/EMImC-Co-EP陰離子交換復(fù)合膜的發(fā)電功率高2倍以上,最大發(fā)電功率28.3mW cm-2。
【關(guān)鍵詞】：堿性陰離子交換復(fù)合膜 殼聚糖 咪唑基 GO 氫氧根電導(dǎo)率 單電池發(fā)電性能
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ425.236;TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 緒論12-26
• 1.1 燃料電池12-16
• 1.1.1 燃料電池工作原理12-14
• 1.1.2 燃料電池的分類14-16
• 1.2 聚合物電解質(zhì)膜燃料電池16-19
• 1.2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池16-17
• 1.2.2 堿性陰離子交換膜燃料電池17-19
• 1.3 堿性陰離子交換復(fù)合膜在燃料電池中的應(yīng)用19-23
• 1.3.1 異相膜19-20
• 1.3.2 均相膜20-22
• 1.3.3 穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物膜22-23
• 1.4 本課題提出的意義、研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)23-26
• 1.4.1 本課題提出的意義23-24
• 1.4.2 研究?jī)?nèi)容24
• 1.4.3 創(chuàng)新點(diǎn)24-26
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分26-30
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器26-27
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑26
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備26-27
• 2.2 表征與測(cè)試27-29
• 2.2.1 電導(dǎo)率的測(cè)定27
• 2.2.2 含水率的測(cè)定27
• 2.2.3 離子交換容量的測(cè)定27-28
• 2.2.4 機(jī)械性能的測(cè)定28
• 2.2.5 紅外光譜分析(FTIR)28
• 2.2.6 掃描電鏡分析(SEM)28-29
• 2.2.7 熱重分析(TGA)29
• 2.3 膜電極(MEA)制備及單電池性能測(cè)試29-30
• 第三章 Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的制備及燃料電池應(yīng)用研究30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 實(shí)驗(yàn)步驟30-31
• 3.2.1 Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的制備30-31
• 3.2.2 Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的性能表征31
• 3.2.3 膜電極(MEA)制備及單電池性能測(cè)試31
• 3.3 結(jié)果與討論31-40
• 3.3.1 紅外光譜表征31-32
• 3.3.2 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析32-33
• 3.3.3 電導(dǎo)率和含水率33-34
• 3.3.4 離子交換容量(IEC)34-35
• 3.3.5 溫度與電導(dǎo)率的關(guān)系35-36
• 3.3.6 穩(wěn)定性36-39
• 3.3.7 單電池性能測(cè)試39-40
• 3.4 本章小結(jié)40-42
• 第四章 GO摻雜型Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的制備及燃料電池應(yīng)用研究42-52
• 4.1 引言42
• 4.2 實(shí)驗(yàn)步驟42-43
• 4.2.1 GO摻雜型Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的制備42-43
• 4.2.2 GO摻雜型Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的性能表征43
• 4.2.3 膜電極制備及單電池性能測(cè)試43
• 4.3 結(jié)果與討論43-50
• 4.3.1 紅外光譜表征43-44
• 4.3.2 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析44-45
• 4.3.3 電導(dǎo)率和含水率45-46
• 4.3.4 溫度與電導(dǎo)率的關(guān)系46-48
• 4.3.5 穩(wěn)定性48-50
• 4.3.6 單電池性能測(cè)試50
• 4.4 本章小結(jié)50-52
• 第五章 Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的制備及燃料電池應(yīng)用研究52-59
• 5.1 引言52
• 5.2 實(shí)驗(yàn)步驟52-53
• 5.2.1 Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的制備52-53
• 5.2.2 Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的表征53
• 5.2.3 膜電極制備及單電池性能測(cè)試53
• 5.3 結(jié)果與討論53-58
• 5.3.1 紅外光譜表征53-54
• 5.3.2 電導(dǎo)率和含水率54-55
• 5.3.3 機(jī)械穩(wěn)定性55
• 5.3.4 熱穩(wěn)定性55-56
• 5.3.5 氧化穩(wěn)定性56-57
• 5.3.6 單電池性能測(cè)試57-58
• 5.4 本章小結(jié)58-59
• 第六章 總結(jié)和展望59-61
• 6.1 總結(jié)59-60
• 6.2 展望60-61
• 參考文獻(xiàn)61-69
• 附錄一 縮寫及符號(hào)說明69-70
• 攻讀碩士學(xué)位期間的主要科研成果70-72
• 致謝72

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