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试谈阴离子燃料电池用聚芳醚类阴离子交换膜制备与性能

收藏本文 2024-03-31 点赞:8329 浏览:26315 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:高分子电解质膜燃料电池作为一种新型、高效、环境友好型的能源系统引起了越来越多的关注,高分子电解质膜是高分子电解质膜燃料电池的核心部件之一。本论文以聚芳醚为高分子电解质膜材料,设计与制备了一系列可用于阴离子交换膜燃料电池(Anion Exchange Membrane Fuel Cell, AEMFC)的聚芳醚类阴离子交换膜(Anion Exchange Membrane, AEM),并详细的探讨了阴离子交换膜的各项基本性能。以摩尔比为1:1的4,4’-二氟二苯砜和2,2’-二(4-羟基)丙烷为原料,通过高温缩聚、氯化反应和季铵化制备了一系列聚芳醚砜阴离子聚合物(PAES),并采取溶液浇筑法制备了相应的阴离子交换膜。利用1HNMR对制备的聚合物和氯化聚合物进行结构确认。分别以33%的TMA溶液和N,N,N',N'-四己二胺(TMHDA)作季铵化试剂制备了直线型季铵化聚芳醚砜膜(QPAES)和自交联型季铵化聚芳醚砜膜(CQPAES),探讨了交联剂用量的影响并对两种阴离子交换膜的基本性能进行了探讨。结果表明,随着交联剂TMHDA利用量的增加,CQPAES膜的IEC、吸水率、尺寸变化及离子传导率均呈下降走势;当TMHDA的用量为论述值的150%(r=0.75)时,由于叔胺与氯的快速反应使得部分氯来不及反应而被包埋,造成膜IEC的大幅下降并引起膜相应性能的变化。在相似离子交换容量(IEC)时,CQPAES系列膜的体现出较低的吸水率和尺寸变化,尤其是高温时CQPAES系列膜保持了很好的尺寸稳定性CQPAES-5膜在30℃C和90℃的离子传导率分别为30mS/cm和85mS/cm。经过60℃碱稳定性测试后,CQPAES系列膜的强度依然保持在V级。根据上一部分的探讨,以制备的聚芳醚砜作为聚合物前驱体,氯化后分别以TMHDA、N,N,N',N'-四丙二胺(TMPDA)和N,N,N’,N’-四乙二胺(TMEDA)为季铵化试剂制备了一系列自交联型CQPAES膜,并探讨季铵化试剂对CQPAES膜性能的影响。结果表明,相比TMPDA和TMEDA, CQPAES-H膜中的氯基团可以更加充分的和TMHDA反应,并且CQPAES-H膜具有更好的机械性能、水稳定性和碱稳定性。以制备的PAES和CMPAES为聚合物前驱体,通过溶液浇铸法制备了一系列不同IEC值的PAES/CMPAES复合膜,并探讨了PAES/CMPAES复合膜的基本性能。结果表明,在相似IEC条件下,复合膜的吸水率、尺寸变化都要小于QAPES膜,复合膜的杨氏模量要显著高于QPAES膜;经60℃碱稳定性测试后,复合膜的强度依然保持在V级。表明有机/有机复合在一定程度上改善了阴离子交换膜的性能。以4,4'-联苯二酚(BP)为原料通过Mannich反应制备了功能单体2,2'-二亚铵-4,4'-联苯二酚(DABP)。以DABP、BP和十氟联苯为原料通过高温聚合制备了含有叔胺基团的氟化聚醚砜聚合物,然后采取碘甲烷进行季铵化,进一步碱化后制备了一系列阴离子交换膜。结果表明,由于季铵化反应进行的不完全导致制备的阴离子交换膜的滴定IEC远小于论述IEC。但是在IEC=0.5mmol/g时,QPFAE-60膜在60℃时的离子传导率达到了11mS/cm。关键词:燃料电池论文阴离子交换膜论文聚芳醚论文交联论文复合论文离子传导率论文

    摘要5-7

    Abstract7-9

    目录9-12

    1 绪论12-30

    1.1 燃料电池12

    1.2 高分子电解质膜燃料电池12-15

    1.2.1 PEMFC和AEMFC工作原理12-14

    1.2.2 AEMFC以及AEMFC对于阴离子交换膜的要求14-15

    1.3 阴离子交换膜15-29

    1.3.1 商业化的阴离子交换膜15-16

    1.3.2 碳氟系阴离子交换膜16-17

    1.3.3 碳氢系阴离子交换膜17-25

    1.3.3.1 聚醚酮类(PEEK)阴离子交换膜17-18

    1.3.3.2 聚苯并咪唑(PBI)类阴离子交换膜18-20

    1.3.3.3 聚醚砜类(PES)阴离子交换膜20-22

    1.3.3.4 聚苯醚类(PPO)阴离子交换膜22-23

    1.3.3.5 其他类型的聚合物膜23-25

    1.3.4 阴离子交换膜的改性25-29

    1.4 论文的探讨目的和主要内容29-30

    2 实验材料与实验策略30-35

    2.1 实验设备及实验原料30-32

    2.1.1 实验设备30-31

    2.1.2 实验原料与试剂31-32

    2.1.3 试剂精制与原料纯化32

    2.2 表征策略32-35

    2.2.1 核磁共振浅析32

    2.2.2 相对粘度32

    2.2.3 离子交换容量32-33

    2.2.4 吸水率和尺寸变化33

    2.2.5 离子离子传导率33-34

    2.2.6 机械性能34

    2.2.7 碱稳定性和水稳定性34-35

    3 自交联季铵化聚芳醚砜类阴离子交换膜的制备及性能 #24—交联剂利用量的影响探讨35-47

    3.1 引言35-36

    3.2 实验部分36-38

    3.2.1 聚合物的制备36-37

    3.2.2 季铵化和膜的制备37-38

    3.3 结果与讨论38-46

    3.3.1 聚合物的合成、氯化及表征38-39

    3.3.2 阴离子交换膜的制备及表征39-40

    3.3.3 离子交换容量、吸水率、尺寸变化及水稳定性40-42

    3.3.4 机械性能42-43

    3.3.5 离子离子传导率43-44

    3.3.6 碱稳定性44-46

    3.4 本章小结46-47

    4 自交联季铵化聚芳醚类阴离子交换膜的制备及性能 #36—交联剂类型的影响探讨47-57

    4.1 引言47-48

    4.2 实验部分48-49

    4.2.1 聚合物的制备和氯化48

    4.2.2 季铵化和膜的制备48-49

    4.3 结果与讨论49-55

    4.3.1 膜的制备与表征49-50

    4.3.2 离子交换容量、吸水率、水合数、尺寸变化及水稳定性50-53

    4.3.3 机械性能53

    4.3.4 离子传导率53-55

    4.3.5 碱稳定性55

    4.4 本章小结55-57

    5 复合型季铵化聚芳醚砜阴离子交换膜的制备及性能究57-65

    5.1 引言57

    5.2 实验部分57-58

    5.2.1 聚合物的制备和氯化反应57

    5.2.2 膜的制备和季铵化57-58

    5.3 结果与讨论58-64

    5.3.1 膜的制备与表征58-59

    5.3.2 离子交换容量、吸水率、水合数及尺寸变化59-61

    5.3.3 复合膜在甲醇溶液中的尺寸变化61-62

    5.3.4 离子传导率62-63

    5.3.5 机械性能63

    5.3.6 碱稳定性和水稳定性63-64

    5.4 本章小结64-65

    6 新型部分氟化季铵化聚芳醚类阴离子交换膜的制备65-71

    6.1 引言65

    6.2 实验部分65-67

    6.2.1 2,2’-二亚铵4,4’-联苯二酚(DABP)的制备65-66

    6.2.2 聚合物的制备66-67

    6.2.3 季铵化和膜的制备67

    6.3 结果与讨论67-70

    6.3.1 聚合物的制备及表征67-69

    6.3.2 膜的制备和性能表征69-70

    6.4 本章小结70-71

    7 结论71-73

    致谢73-74

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