咪唑阴离子交换膜的制备及OH-传导机理的研究
阴离子交换膜作为储能电池（燃料电池、液流电池等）的关键材料主要有以下两个重要作用:Ⅰ.隔离电池正负极燃料或电解液，避免正负极电解质混合造成污染及电池能量的损失;Ⅱ.传输离子，使电池形成完整回路，保证电池的正常运行。与商用Nafion膜相比，阴离子交换膜的OH-传导率均在0.01 S·cm-1的水平，低于Nafion膜一个数量级(0.1 S·cm-1)，且化学稳定性较差。目前阴离子交换膜的制备工艺已经成熟，其基本性能均在阴离子交换膜合成之后测试。OH-在阴离子交换膜中的传导率仅停留在实验测试阶段，不仅浪费时间与原料，制备出的阴离子交换膜的性能不一定与期望相一致。利用软件模拟的方法对阴离子交换膜中OH-的传导率进行预测及功能化基团位置的变化对OH-传导率的影响的分子动力学十分必要。针对上述阴离子交换膜的缺点及理论研究的缺陷，本文利用四甲基双酚A和十氟噁二唑为单体，N-乙烯基咪唑为功能化试剂合成了咪唑功能化阴离子交换膜，并利用Materials Studio(MS)模拟平台对不同结构阴离子交换膜的OH-传导速率进行一系列理论研究。 本研究主要内容包括：⑴采用共聚的方法，以四甲基双酚A和十氟嗯二唑为单体合成多氟聚芳醚聚合物，N-乙烯基咪唑为功能化试剂，制备了不同功能化度的阴离子交换膜，并用热交联的方法对阴离子交换膜进行交联改性。阴离子交换膜的OH-传导率均为10-2 S·cm-1，在80℃下高达9.02×10-2 S·cm-1，其阻醇率为Nfion117阻醇率的10倍。⑵对25％DS（DS指功能化程度）、50％DS和75％DS的阴离子交换膜进行分子动力学模拟，分析了咪唑阳离子中N+-N+、N-OH-O的径向分布函数，其中75％DS的模型中OH-出现在咪唑阳离子周围的几率最大，有利于OH-的传导，利用OH-的均方位移函数计算得出75％DS的阴离子交换膜的离子传导率最高为2.75×10-2 S·cm-1，且甲醇与咪唑阳离子之间的作用力较弱，有效阻止甲醇的扩散。⑶设计了Line-型、Meta-型、Diagonal-型三种功能化位置的阴离子交换膜，对其进行动力学模拟。研究结果表明Line-型结构的聚合物最有利于OH-的传导为7.74×10-2 S·cm-1，Diagonal-型结构最不利于OH-的传导，为1.78×10-2 S·cm-1。
离子交换膜;交换膜制备;咪唑阳离子;动力学模拟
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
吕亚非
2015
中文
TQ425.236;TQ420.1
85
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）