復合型聚芳醚類質子交換膜的制備與性能研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池（PEMFCs）作為一種清潔能源，有望應用在便攜式儲能和供電站中，因此，得到了人們廣泛的關注。和傳統(tǒng)的發(fā)電裝置相比，質子交換膜燃料電池工作時不需要燃燒化石燃料，而且污染物零排放。聚合物電解質膜（PEM）作為質子交換膜燃料電池的核心組成部分，其主要功能是將質子從陽極運輸?shù)疥帢O?，F(xiàn)在，商業(yè)可用的質子交換膜（例如Nafion）仍然面臨一些問題，比如成本高，燃料滲透，在高溫下失水導致質子傳導率明顯下降等。因此，本論文針對上述問

2、題，制備兩種新型復合膜并開展研究工作。
　　磺化聚芳醚類質子交換膜與現(xiàn)在商業(yè)化的 Nafion膜相比，在很多方面都表現(xiàn)出更優(yōu)良的性質，例如，更好的熱穩(wěn)定性和機械性能，相近的質子傳導率，更低的燃料滲透率，最為重要的是成本低廉。在本文中，制備了基于磺化聚芳醚酮砜（SPAEKS）的有機-無機復合質子交換膜。首先制備了磷鎢酸-離子液體填料（PWA-IL）。在PWA-IL中，通過磷鎢酸和離子液體中咪唑環(huán)離子相互作用，使他們緊密結合，然后將P

3、WA-IL摻雜到 SPAEKS中，不僅可以提高質子傳導率，而且由于氫鍵的作用，減少了離子液體的流失。測試結果表明，PWA-IL的引入使質子傳導率得到了明顯提高。尤為突出的是，將 SPAEKS-80/PWA-IL膜浸泡在水中132 h后，PWA-IL保留能力達到了98.4%，膜材料的穩(wěn)定性顯著提高，同時也提高了阻醇性能。SPAEKS-80/PWA-IL復合膜在80 oC時，質子傳導率達到0.127 S cm 1。
　　通過上述研究，

4、我們發(fā)現(xiàn)將PWA-IL引入到聚合物中有利于促進質子傳導，其中起到主要作用的是咪唑環(huán)。咪唑環(huán)作為堿性官能團，容易和酸性官能團形成酸堿對，在酸堿對中，質子可以直接從質子給體（酸基）跳躍到質子受體（堿基）。這時質子在一定程度上依賴 Grotthuss機理進行傳輸。進而，我們制備了不同種氮雜環(huán)修飾的聚芳醚酮聚合物質子交換材料，并研究其高溫傳導性能。聚合物主鏈是四甲基型聚芳醚酮（PAEK），通過NBS作為溴代試劑的溴代反應后，得到一定溴化度的溴代

5、聚芳醚酮（BrPAEK）。利用活性溴甲基和氮雜環(huán)之間的相互作用，分別將吡啶（Pd），1-甲基咪唑（MeIm），苯三唑（BTA）和3-氨基-1,2,4-三唑（AmTr）引入到聚合物。所得到的四種膜材料磷酸吸附能力有所不同，實驗結果表明，引入甲基咪唑的膜能夠吸收相對較多的磷酸，同時表現(xiàn)出最高的質子傳導率。在170 oC無水條件下，BrPAEK-MeIm1.6的質子傳導率達到了0.091 S cm-1，同時熱穩(wěn)定性，氧化穩(wěn)定性和力學性能都較為