磷酸-二氧化硅凝膠摻雜磺化聚苯醚復合質子交換膜的制備與表征.pdf

1、以磺化聚苯醚(SPPO)為聚合物基質，摻雜入磷酸/二氧化硅溶膠，采用溶液澆鑄的方法制備了新型燃料電池用復合質子交換膜。在論文實施過程中，優(yōu)化了聚苯醚的磺化條件，探索了磷酸/二氧化硅溶膠的制備方法，并對復合膜的相關性能進行了表征，探討了將復合膜應用于質子交換膜燃料電池(包括直接甲醇燃料電池)的可能性。 選擇氯磺酸為磺化試劑、氯仿為溶劑對PPO進行了磺化，分別從磺化劑的用量、磺化反應時間、磺化反應溫度、磺化劑滴加速度及攪拌速度等方面

2、對磺化反應進行了優(yōu)化。采用傅立葉紅外(FT-IR)和氫核磁共振(1HNMR)對磺化產物進行了表征，證實成功實現(xiàn)了聚苯醚的磺化改性。在FT-IR圖譜中，1070cm-1和635cm-1波數處新增兩峰，分別歸屬于磺酸基團O=S=O和C-S鍵的對稱伸縮振動；在1HNMR圖中，由于磺酸基團的存在，其強烈的誘導作用使得相鄰苯環(huán)氫位移向低場移動。用電導滴定的方法確定了SPPO的離子交換容量(IEC)值。使用正硅酸乙酯為前驅體，異丙醇為溶劑，鹽酸水溶

3、液為催化劑，在磷酸存在下，通過溶膠－凝膠法制備了磷酸/二氧化硅溶膠。透射電鏡(TEM)照片顯示了不同攪拌時間磷酸/二氧化硅溶膠的形態(tài)，從而確定最終反應時間。采用磷魔角旋轉核磁共振(31pMAS-NMR)表征了磷酸/二氧化硅凝膠在復合膜中的存在形式。 分別從熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性、力學性能、親水性、吸水率、微觀結構、表面形貌、電導率和甲醇滲透率等方面對復合膜的性能進行了全面的表征。熱重分析法(TGA)和示差掃描量熱法(D

4、SC)結果表明，復合膜具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性；拉伸強度測試表明，復合膜具有足夠的拉伸強度應用于燃料電池的工作環(huán)境；較低的接觸角值顯示出復合膜很好的親水性；高溫吸水率的測試顯示出復合膜很強的吸水和滯水能力；X-射線衍射(XRD)證實了復合膜的無序結構；在室溫水合狀態(tài)下，復合膜具有和Nafion112可比擬，甚至更高的電導率。與此同時，復合膜還表現(xiàn)出良好的尺寸穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性。以上表征結果說明，磷酸/二氧化硅凝膠摻雜SPPO復合質子交換膜具有