磺化聚酰亚胺/二氧化硅复合膜的制备及其质子交换性能研究
质子交换膜是燃料电池的关键部件之一,其性能的好坏直接影响到电池的使用寿命和效率。目前商业化产品主要采用全氟磺酸膜,虽然其具有化学稳定性好、质子电导率高、使用寿命长等优点,但是却存在着成本较高、尺寸稳定性差、低湿及高温下质子传导率下降、甲醇渗透率高等缺点,已不能满足直接甲醇燃料电池(DMFC)技术向高温发展的要求。因此,研究开发在高温下具有优异的耐热稳定性、高尺寸稳定性、高质子电导率、低甲醇渗透性的新型质子交换膜材料变得至关重要。磺化聚酰亚胺(SPI)质子交换膜材料具有优异的耐热稳定性和化学稳定性、良好的机械性能、以及突出的阻醇性,有望作为新型耐高温DMFC质子交换膜材料得到应用。
本论文研究工作采用溶胶-凝胶法将纳米二氧化硅粒子引入到磺化聚酰亚胺树脂体系中,制备了具有不同硅含量的磺化聚酰亚胺／二氧化硅复合膜(SPI／SiO2),利用二氧化硅强亲水性的特点以提高薄膜的吸水性,增加其高温时的保水能力。此外,二氧化硅的引入可以同时赋予薄膜良好的耐热性和尺寸稳定性。系统研究了二氧化硅的引入对复合膜的耐热性能、力学性能、尺寸稳定性、抗氧化稳定性以及耐水解稳定性的影响规律,并对其质子传导率和甲醇渗透率进行了评价。
本论文的研究内容主要包括以下两个方面:
1.通过亲电取代反应合成了磺化二胺4,4'-双(4-氨基苯氧基)二苯基-3,3'-二磺酸(BAPBDS),与1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTDA)和非磺化二胺4,4'-双(4'-氨基-2'-三氟甲基苯氧基)联苯(6FBAB)共聚制备磺化聚酰亚胺树脂,在此基础上采用溶胶-凝胶法制备了不同硅含量的磺化聚酰亚胺／二氧化硅复合膜,通过FT-IR、29Si-NMR、TEM、XRD对复合膜的结构和形态进行表征。结果表明,SiO2纳米粒子在复合膜中以2-10nm的平均粒径均匀分散,随着SiO2含量的增加其平均粒径有所增加且分布变宽,但无明显团聚。
2.系统研究了二氧化硅的加入对复合膜的耐热性能、力学性能、尺寸稳定性、抗氧化稳定性以及耐水解稳定性的影响规律,并对其质子传导率和甲醇渗透率进行了评价。结果表明,二氧化硅的引入使复合膜的耐热稳定性、抗氧化稳定性、尺寸稳定性均得到明显改善；复合膜表现出优异的阻醇特性,其甲醇渗透率仅为Nation115膜的1／5到1／3左右；虽然SiO2的引入使复合膜质子传导率有所降低,但是其中SPI／SiO2-2复合膜表现了较突出的高温质子传导特性。此外,由于复合膜阻醇性能的显著提高,其选择透过性大大高于Nafion115膜,表现了良好的综合性能,有望在直接甲醇燃料电池中得到应用。
磺化聚酰亚胺;二氧化硅;质子交换膜;直接甲醇燃料电池;机械性能;制备工艺
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
武德珍;范琳
2011
中文
TB383;TM911.4
83
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）