無機顆粒的形狀對質(zhì)子交換膜的保水性能及電導(dǎo)率的影響.pdf

1、近年來不含氟的質(zhì)子交換膜材料受到質(zhì)子交換膜燃料電池界的廣泛關(guān)注,其電導(dǎo)率的提高是材料發(fā)展的首要問題。目前常見的方法之一是通過添加無機顆粒提高膜材料的保水性能,從而改善其導(dǎo)電性能。而大多數(shù)研究工作者的選擇是球狀的顆粒,也有少數(shù)研究者選擇纖維狀粒子。然而,因沒有具體的理論及實驗分析,并沒有確切的證據(jù)指出這二者中哪一種的效果較佳。
　　本文以殼聚糖為起始原料,通過磷酸化反應(yīng)合成有一定電導(dǎo)率的生物膜材料,具有價格低,易降解且環(huán)保等特點。檢

2、測結(jié)果表明,所制備的膜有一定柔韌性,在熱性能上符合高溫質(zhì)子交換膜的要求,斷面微觀結(jié)構(gòu)平整,并且電導(dǎo)率較高。
　　在得到的磷酸化殼聚糖材料中分別添加球狀和纖維狀微米級顆粒,得到兩種類型的膜,并且添加不同百分含量的顆粒,制備一系列的材料。以未添加任何無機顆粒的膜為空白對照,比較這二者的改善效果。TGA的結(jié)果指出,含有無機顆粒的復(fù)合膜材料在保水性能上有明顯的提高,且因檢測之前經(jīng)過加熱處理,該部分的水分為結(jié)合水。斷面SEM圖中,填充之后膜

3、沒有出現(xiàn)斷層現(xiàn)象,顆粒分布均勻。常溫下吸水率的比較中,二者都有改善作用,但球狀的對自由水的保留能力更強。電導(dǎo)率測試表明,改善效果隨溫度的變化而變化。小于100℃的范圍內(nèi)含有球狀顆粒的材料電導(dǎo)率是最高的,反之,高溫時含纖維狀顆粒的材料導(dǎo)電性能最好。
　　根據(jù)跳躍和運載機理,本文針對所有材料提出了具體的質(zhì)子傳導(dǎo)機理。其中主要包含四條質(zhì)子傳導(dǎo)通道,依次為:以自由水為載體質(zhì)子的移動;自由磷酸分子之間質(zhì)子的跳躍遷移;結(jié)合水分子之間質(zhì)子的跳躍

4、遷移;固定的磷酸基團(tuán)之間質(zhì)子的跳躍遷移。同時分子鏈骨架對跳躍過程有明顯的影響。
　　從機理角度比較不同膜的傳導(dǎo)差異?？傮w上,球狀和纖維狀粒子的膜均出現(xiàn)微相分離,使得質(zhì)子傳導(dǎo)通道增多,促進(jìn)質(zhì)子轉(zhuǎn)移速率。另外,從TGA、吸水率和電導(dǎo)率的結(jié)果分析,探討出球狀的改善效果是通過提高自由水含量進(jìn)行的(即第一條質(zhì)子傳導(dǎo)通道),而纖維狀顆粒在結(jié)合水的保留能力更強些(即第三條質(zhì)子傳導(dǎo)通道),從而導(dǎo)致電導(dǎo)率的差別。最后通過Nemst-Einstein