本文關(guān)鍵詞：新型三氮唑質(zhì)子交換膜的合成與表征

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【摘要】：目前已經(jīng)商業(yè)化的全氟磺酸膜雖然質(zhì)子傳導效率高,但要求工作氣體相對濕度高、工作溫度低(80℃左右),由此帶來催化劑易中毒、電池內(nèi)部水、熱管理困難等一系列問題。本課題任務來自河南省國際合作項目“新型氮雜環(huán)質(zhì)子交換膜的設計與合成”(No.104300510009),旨在設計合成不含氟且耐高溫的基于三氮唑質(zhì)子傳導功能團的新型質(zhì)子交換膜。本文以氯化芐和無機疊氮物為初始原料,經(jīng)疊氮化、環(huán)加成、接枝縮合、脫除保護基制備獲得含三氮唑大單體,各中間產(chǎn)物結(jié)構(gòu)均通過紅外、1H-NMR以及13C-NMR表征,再經(jīng)溶膠-凝膠法聚合制備新型三氮唑質(zhì)子交換膜。首先,以氯化芐為原料經(jīng)疊氮化反應制得芐基疊氮(Ⅰ),通過單因素實驗和正交試驗考察獲得了較佳制備條件:溶劑乙醇15mL,n(疊氮鈉):n(氯化芐)=1.25:1,75℃下反應6h,芐基疊氮(Ⅰ)收率達83.89%。其次,利用芐基疊氮和丙炔醇點擊環(huán)化合成1-芐基-4-羥甲基-1H-1,2,3-三氮唑(Ⅱ),通過單因素實驗優(yōu)化得到較佳工藝條件:四氫呋喃和水混合溶劑25mL,n(芐基疊氮):n(丙炔醇):n(抗壞血酸):n(CuSO4·5H2O)=1:1.2:0.2:0.02,63℃下反應24h,(Ⅱ)的收率達92.60%。然后,以(Ⅱ)為原料制備1-芐基-1,2,3-三氮唑-4-甲醇鈉基礎上,采用γ-氯丙基三甲氧基硅烷(A)作為前驅(qū)體,通過威廉森反應接枝縮合制得產(chǎn)物1-芐基-4-{[3-(三甲氧基硅烷基)丙氧基]甲基}-1,2,3-三氮唑(Ⅲ)。通過單因素實驗和正交試驗考察獲得了較佳工藝條件:溶劑二氯甲烷20mL,n(Ⅱ):n(A):n(Na)=1:1:1.5,40℃下反應12h,(Ⅲ)的收率達90.56%。然后脫除(Ⅲ)中保護基制得大單體4-{[3-(三甲氧基硅烷基)]甲基}-1H-1,2,3-三氮唑(Ⅳ)。通過單因素實驗和正交試驗考察獲得制備大單體(Ⅳ)的較佳工藝條件:三氟乙酸15mL,80℃下反應42h,(Ⅳ)收率為71.39%。最后,利用溶膠-凝膠技術(shù)在PTFE基膜上制得三氮唑質(zhì)子交換膜,掃描電鏡發(fā)現(xiàn)PTFE基膜空隙被膠狀聚合物膠結(jié)填充;通過熱重分析表明所制膜熱穩(wěn)定性達到260℃;在160℃時,質(zhì)子交換膜有最大質(zhì)子傳導率6.12×10-3 S·cm-1。
【關(guān)鍵詞】：質(zhì)子交換膜 三氮唑 點擊環(huán)化 威廉森反應 溶膠-凝膠技術(shù)
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ051.893
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-16
• 1.1 燃料電池9
• 1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池9-10
• 1.3 質(zhì)子交換膜10-14
• 1.3.1 含氟磺酸質(zhì)子交換膜10-12
• 1.3.2 非氟質(zhì)子交換膜12-14
• 1.4 本課題研究方案14-16
• 2 芐基疊氮（Ⅰ）的合成16-25
• 2.1 反應原理16
• 2.2 試劑和儀器16
• 2.3 反應裝置和步驟16-17
• 2.4 產(chǎn)物（Ⅰ）的結(jié)構(gòu)表征17-20
• 2.5 合成條件優(yōu)化20-24
• 2.6 小結(jié)24-25
• 3 1-芐基4羥甲基-1H-1,2,3-三氮唑（Ⅱ）的合成25-39
• 3.1 反應原理及工藝25-29
• 3.2 試劑及儀器29-30
• 3.3 實驗步驟30
• 3.4 產(chǎn)物（Ⅱ）的結(jié)構(gòu)表征30-34
• 3.5 合成條件優(yōu)化34-38
• 3.6 小結(jié)38-39
• 4 1-芐基4{[3-(三甲氧基硅烷基)丙氧基]甲基}-1,2,3-三氮唑（Ⅲ）的合成39-48
• 4.1 合成原理及工藝39-40
• 4.2 試劑及儀器40-41
• 4.3 實驗步驟41
• 4.4 產(chǎn)物（Ⅲ）的結(jié)構(gòu)表征41-44
• 4.5 合成條件優(yōu)化44-47
• 4.6 小結(jié)47-48
• 5 4-{[3-(三甲氧基硅烷基)]甲基}-1H-1,2,3-三氮唑（Ⅳ）的合成48-56
• 5.1 合成原理48-49
• 5.2 試劑及儀器49
• 5.3 實驗步驟49-50
• 5.4 產(chǎn)物（Ⅳ）的結(jié)構(gòu)表征50-52
• 5.5 合成條件優(yōu)化52-55
• 5.6 小結(jié)55-56
• 6 溶膠-凝膠法制備質(zhì)子交換膜56-61
• 6.1 制備工藝56-57
• 6.2 試劑及儀器57
• 6.3 實驗步驟57-58
• 6.4 質(zhì)子交換膜的表征58-60
• 6.5 小結(jié)60-61
• 7 結(jié)論61-62
• 參考文獻62-66
• 致謝66-67
• 個人簡歷67

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