【摘要】：陰離子交換膜(AEM)可廣泛應(yīng)用在堿性燃料電池隔膜、釩流電池、電滲析等領(lǐng)域,其離子電導(dǎo)率是決定其性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。AEM的離子電導(dǎo)率通常與離子交換含量(IEC)、離子水合程度、薄膜的相結(jié)構(gòu)等相關(guān)。其中,通過增加IEC來提高離子電導(dǎo)率的方法簡單而直接,但是高IEC會引起膜吸水率的增加,導(dǎo)致膜機械性能的下降,甚至使膜發(fā)生崩塌。受到質(zhì)子交換膜Nafion結(jié)構(gòu)的啟發(fā),構(gòu)筑具有較好微相分離結(jié)構(gòu)的AEM是平衡其電導(dǎo)率和溶脹率并維持較好力學(xué)性能的關(guān)鍵。在該論文中,我們通過在離聚物上引入熱力學(xué)不相容的側(cè)鏈,誘導(dǎo)薄膜形成親/疏水相分離結(jié)構(gòu),以提高AEM的綜合性能。此外,為了提高AEM相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,我們進(jìn)一步通過UV光照原位交聯(lián)實現(xiàn)其相結(jié)構(gòu)固定,并研究AEM的其它性能。具體研究內(nèi)容如下:(1)以聚(2,6-二甲基苯氧醚)(PPO)為主鏈,通過Click反應(yīng)引入雙氧化乙烷連接的咪唑鹽為親水側(cè)鏈,辛基或全氟辛基作為疏水側(cè)鏈的AEM。其中,含全氟辛基側(cè)鏈的AEM(PPO-x-Im_y8F_z)表現(xiàn)出明顯的微相分離結(jié)構(gòu),SAXS表征得到其離子簇大小為2-5 nm,離子簇域間距約為6 nm;而未引入疏水側(cè)鏈或含辛基疏水側(cè)鏈的AEM無或僅有微弱微相分離結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明疏水側(cè)鏈以及疏水側(cè)鏈的疏水性強弱對AEM離子簇聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的形成起重要作用。此外,PPO-x-Im_y8F_z除了具有較好的離子電導(dǎo)率,還具有較低的吸水率,從而能很好地平衡吸水率和離子電導(dǎo)率之間的關(guān)系。(2)考慮到全氟辛基側(cè)鏈能夠有效地誘導(dǎo)AEM形成明顯的微相分離結(jié)構(gòu),我們進(jìn)一步將堿穩(wěn)定性較好的多季銨鹽作為AEM的功能性側(cè)鏈,制備出PPO-22-3QA8F膜;同時,我們還合成制備了IEC相近的側(cè)鏈只含有多季銨鹽的AEM(PPO-8-3QA)以及傳統(tǒng)的芐基型AEM(PPO-22-QA)。研究結(jié)果表明,PPO-22-3QA8F具有更顯著的微相分離結(jié)構(gòu)且離子通道具有較好的連貫性。此外,PPO-22-3QA8F在90℃時氫氧根電導(dǎo)率達(dá)到83 mS/cm,遠(yuǎn)高于PPO-8-3QA(39mS/cm)和PPO-22-QA(27 mS/cm);PPO-22-3QA8F還表現(xiàn)出優(yōu)異的耐溶脹性能和耐堿性能,在1 M NaOH 80℃堿解168 h后,PPO-22-3QA8F電導(dǎo)率幾乎沒有下降,而PPO-8-3QA和PPO-22-QA分別只保持60%和55%;在H_2/O_2單燃料電池性能測試中,PPO-22-3QA8F膜表現(xiàn)出較高的電池性能,其最大功率密度達(dá)到102mW/cm~2。(3)通過原位化學(xué)交聯(lián)的方法提高陰離子交換膜的尺寸穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。首先合成制備了側(cè)鏈為多季銨鹽的陰離子交換膜(PPO-24-3QA),然后浸泡在5 mg/mL的4,4'-二疊氮二苯乙烯-2,2'-二磺酸二鈉四水合物水溶液(DAS)里,通過靜電作用將DAS小分子交聯(lián)劑吸附到AEM內(nèi)。將AEM進(jìn)行UV光照,通過疊氮基元在UV照射下生成氮賓,進(jìn)一步與臨近基團(tuán)(苯基、亞甲基、季銨)發(fā)生加成或插入反應(yīng),最后得到原位交聯(lián)型AEM(XPPO-24-3QA-3030)。研究結(jié)果表明,AEM在交聯(lián)后尺寸穩(wěn)定性大幅度提高。例如,PPO-24-3QA室溫下吸水率為88 wt.%,而XPPO-24-3QA-3030吸水率為42 wt.%;XPPO-24-3QA-3030還具有較為優(yōu)異的耐堿性能,在1 M NaOH 80℃條件下堿解168 h和336 h后,其電導(dǎo)率仍然保持97%和93%。和傳統(tǒng)的AEM相比,堿穩(wěn)定性大幅度提高。此外,AEM的交聯(lián)度還可以通過控制DAS溶液的浸泡時間和UV照射時間來方便地調(diào)節(jié)調(diào)節(jié),且該方法作用機制為靜電相互作用,對AEM來說具有普適性。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ425.236
【圖文】：

合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)歷碩士研究生學(xué)位論文，所以水在 AEMFC 實際運行中尤為重要[7]。在質(zhì)子交換膜）中，當(dāng)有 4 個電子遷移時只有 2 個水分子在正極生成；而在電池（AEMFC）當(dāng)有四個電子遷移時，有 2 個水分子在正極消分子在負(fù)極生成[8]（圖 1.1 所示）。這使得陰極和陽極之間的水C 中是 PEMFC（6vs2）的三倍。目前主要通過控制陽極和陰極調(diào)節(jié) AEMFC 的水平衡。還可以通過新的操作調(diào)節(jié)和電池結(jié)構(gòu)不平衡問題，從而達(dá)到與 PEMFC 相當(dāng)?shù)男阅�，使它們能夠在�?

圖 1.2 溴化 PPO 的制備原理Fig. 1.2 Schematic illustrations for brominated PPO[17]銨鹽（QA）-PPO 的 AEM 已經(jīng)成功制備和應(yīng)用，穩(wěn)定性差和離子電導(dǎo)率不高等缺點[40, 41]。季銨鹽的下，OH 進(jìn)攻季銨鹽功能陽離子發(fā)生 SN2 親核取或者葉立德等反應(yīng)；而其電導(dǎo)率低的主要原因是由力較差所致（如 TMA 的 pKa=10.8）[18]。 1.3 F 所示，AEM 的功能陽離子基團(tuán)轉(zhuǎn)向吡啶陽]。遺憾的是，吡啶在功能化過程中可能導(dǎo)致 PPO 主弱，使吡啶陽離子在 AEM 中未能廣泛應(yīng)用。M 中功能陽離子的研究范圍的擴(kuò)大，如圖 1.3（D,咪唑鹽、胍鹽、季膦鹽等功能陽離子進(jìn)行了研究。結(jié)構(gòu)，制得的咪唑型 AEM 具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性[O 主鏈時（圖 1.3 D1），得到的 AEM 在 80 ℃時離子

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;山西煤化所陰離子交換膜研究取得進(jìn)展[J];河南化工;2018年02期

2 ;合肥研究院發(fā)展出陰離子交換膜制備新方法[J];傳感器世界;2014年09期

3 ;我國高性能陰離子交換膜取得突破[J];浙江化工;2014年09期

4 新型;;我國高性能陰離子交換膜取得重要突破[J];化工新型材料;2014年09期

5 ;簡訊[J];工業(yè)水處理;1987年02期

6 ;電滲析(二)[J];凈水技術(shù);1988年02期

7 葛道才;IM—2型強堿性陰離子交換膜的制備及其在苦咸水脫鹽中的應(yīng)用[J];膜科學(xué)與技術(shù);1989年03期

8 包爾;;用含有管狀陰離子交換膜的Donnan滲析法處理酸性廢水[J];重慶環(huán)境科學(xué);1989年06期

9 卓曉軍;侯曉川;楊潤德;李賀;;采用陰離子交換膜從鎳鉬礦冶煉煙塵提硒廢液中分離酸的實驗研究[J];礦冶工程;2016年06期

10 程珊珊;;燃料電池用堿性陰離子交換膜的研究進(jìn)展[J];廣東化工;2014年07期

相關(guān)會議論文 前10條

1 何思威;官樹猛;李海;李香丹;;咪唑鹽型光敏性聚芳醚砜陰離子交換膜的制備及性能[A];中國化學(xué)會2017全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會摘要集——主題H：光電功能高分子[C];2017年

2 陳穎;衛(wèi)琦;左道遠(yuǎn);魏海兵;丁運生;;間隔基對聚醚砜基陰離子交換膜性能的影響規(guī)律[A];2016年全國高分子材料科學(xué)與工程研討會論文摘要集[C];2016年

3 王金雷;王曉娟;魏海兵;丁運生;;新型耐堿解季銨型陰離子交換膜材料的合成與表征[A];2016年全國高分子材料科學(xué)與工程研討會論文摘要集[C];2016年

4 趙云;俞紅梅;楊冬蕾;邵志剛;衣寶廉;;一種新型交聯(lián)復(fù)合陰離子交換膜的制備和表征[A];第30屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會論文集[C];2013年

5 萬瑞英;張登驥;葉妮雅;楊云菲;何榮桓;;接枝不同非離子型側(cè)鏈對陰離子交換膜性能的影響研究[A];2019年第四屆全國新能源與化工新材料學(xué)術(shù)會議暨全國能量轉(zhuǎn)換與存儲材料學(xué)術(shù)研討會摘要集[C];2019年

6 李南文;劉磊;和樹慶;;多功能“側(cè)鏈型”梳狀陰離子交換膜的制備與性能研究[A];2015年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集——主題H 能源高分子[C];2015年

7 孫哲;嚴(yán)鋒;;基于咪唑鹽互穿網(wǎng)絡(luò)陰離子交換膜的研制[A];中國化學(xué)會2017全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會摘要集——主題A：高分子化學(xué)（2）[C];2017年

8 杜鑫明;王哲;劉暢;王春梅;陳召鈺;劉文長;;基于酚酞的聚芳醚酮咪唑交聯(lián)型陰離子交換膜[A];中國化學(xué)會2017全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會摘要集——主題K：高性能高分子[C];2017年

9 官樹猛;何瑞;何思威;李香丹;;光敏性嵌段聚芳醚砜陰離子交換膜的制備與性能研究[A];2016年全國高分子材料科學(xué)與工程研討會論文摘要集[C];2016年

10 倪貴智;趙孔雙;吳永會;徐銅文;;有機-無機雜化陰離子交換膜的介電解析——直流偏壓效果[A];第四屆中國膜科學(xué)與技術(shù)報告會論文集[C];2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李甜甜;傅克烷基化/共聚制備咪唑功能化陰離子交換膜[D];大連理工大學(xué);2019年

2 段曉玲;聚砜陰離子交換膜的制備及其對磷酸的電滲析凈化作用[D];華中科技大學(xué);2018年

3 侯劍秋;面向堿性燃料電池和中性液流電池陰離子交換膜結(jié)構(gòu)設(shè)計[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

4 趙志娟;電滲析陰離子交換膜污染機理及抗污染表面改性研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所);2019年

5 賀玉彬;微相分離陰離子交換膜結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

6 KAMANA EMMANUEL;[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

7 邢云青;EDI法去除與回收廢水中Cr（Ⅵ）的研究[D];浙江大學(xué);2007年

8 胡博;聚醚砜基改性陰離子交換膜的制備及性能研究[D];東北師范大學(xué);2017年

9 李慶;新型堿性陰離子交換膜的制備及表征[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

10 沈困知;側(cè)鏈型季銨化聚芳醚酮材料的制備及性能研究[D];吉林大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 李艷;側(cè)鏈型陰離子交換膜的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控和UV交聯(lián)固定[D];合肥工業(yè)大學(xué);2019年

2 郭冬;堿性燃料電池用咪唑鹽陰離子交換膜的制備及性能研究[D];廈門大學(xué);2017年

3 胡恩寧;堿性燃料電池用高耐堿性陰離子交換膜的制備及性能研究[D];廈門大學(xué);2018年

4 陳繼欽;聚苯醚基有機無機雜化陰離子交換膜的制備與性能研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

5 管明明;基于聚離子液體的新型堿性陰離子交換膜的設(shè)計與制備[D];天津大學(xué);2018年

6 王秀琴;功能化側(cè)鏈型陰離子交換膜的制備[D];廈門大學(xué);2018年

7 劉東;基于高支化梳型聚芳醚砜的咪唑摀鹽型陰離子交換膜的研究[D];深圳大學(xué);2018年

8 譚瑞卿;表面分子功能化及兩性離子化改性QPPO陰離子交換膜[D];浙江工業(yè)大學(xué);2018年

9 丁金成;基于三種不同改性手段制備單價選擇性陰離子交換膜及性能表征[D];浙江工業(yè)大學(xué);2018年

10 陳徐;吡啶型抗溶脹BPPO陰離子交換膜的制備[D];浙江工業(yè)大學(xué);2018年

本文編號：2728753