聚苯并咪唑類高溫質子交換膜制備與性能研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池(DMFC)能量轉化率高、環(huán)境友好、燃料補充方便易得等特點，近年來受到各國的重視。目前中高溫DMFC研究已成為DMFC研究的熱點。DMFC中通常使用的Nafion膜在高于120℃后，其持水率降低，電導率下降。因此，在高溫(120℃~200℃)下使用的質子交換膜的開發(fā)研究成為技術關鍵。
　　PBI類質子交換膜是目前高溫質子交換膜研究中最為早的一類。但是，目前存在以下問題：首先，高溫下電導率不高，尤其是酸摻雜型的PBI

2、，其每個重復單元的酸摻雜量有限，導致其電導率不高。其次，高溫尤其是高濕度下，摻雜的酸容易流失；PBI分子鏈端的氨基在強氧化條件下易被降解。這兩點都影響了PBI膜的使用壽命。第三，PBI溶解性差。采用強酸、強堿溶解后所鑄的PBI膜，由于高的酸堿摻雜量，機械性能很差。針對以上問題本文提出以下三個解決方案：第一，制備了新型的高溫高性能的質子導體摻雜到 PBI基體中以提高其電導率。第二，以聚2,5-苯并咪唑(ABPBI)和聚[2,2’-(間苯基

3、)-5,5’-聯(lián)苯并咪唑](mPBI)為主要材料，利用尿素對其端氨基進行保護，合成抗氧化性能高的ABPBI和mPBI分子。第三，利用直接刮膜法或壓膜法來制備出PBI復合膜。
　　制備了SiO2錨定的磷鎢酸(T-PWA-SiO2)質子導體。通過溶-脫實驗，測試固載牢度，與常規(guī)溶膠凝膠法制備的SiO2吸附的PWA(PWA-SiO2)相比具有更強的固載牢度。將T-PWA-SiO2摻雜入ABPBI聚合液，并利用刮膜法制備了30wt％和46

4、wt%的復合膜。紅外光譜(FT-IR)測試表明，ABPBI和T-PWA-SiO2發(fā)生了相互作用。掃描電鏡(SEM)測試表明，復合膜平整，致密，無通孔。復合膜與溶液鑄膜法制備的膜相比，具有更好的機械性能。ABPBI/(T-PWA-SiO2)(46 wt.%)復合膜的電導率在180℃時為0.055 S/cm。
　　制備了新型的有機-無機高溫質子導體磺化苯磷酸鈰(CeSPP)，優(yōu)化了制備工藝，F(xiàn)T-IR和X-射線粉末衍射(XRD)進行微

5、觀結構表征，結果表明，CeSPP為層狀結構。SEM測試表明，CeSPP的粒徑為50~100 nm。熱重分析(TGA)測試表明，CeSPP具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在200℃之前未見明顯失重。相對濕度為100%時，150℃電導率達到0.13 S/cm。質子遷移活化能約為29.64 kJ?mol-1。
　　將CeSPP分別與ABPBI以及mPBI聚合液進行摻雜，通過壓膜法制備了一系列的復合膜。SEM測試結果，復合膜平整致密，EDX面掃描測試

6、表明，CeSPP在復合膜中分散均勻；FT-IR測試表明，CeSPP與聚合物之間發(fā)生了氫鍵作用；TG-DTA研究發(fā)現(xiàn)，復合膜具有良好的熱穩(wěn)定性，能夠在200℃以下使用。CeSPP的加入提高了復合膜的機械性能以及在高溫下的導電率。ABPBI/CeSPP(38 wt.%)復合膜的電導率在180℃達到0.14 S/cm。PBI/CeSPP(25 wt.%)復合膜的電導率在180℃達到0.11 S/cm。質子遷移活化能分別為22.004 kJ?m