新型聚膦腈负载四苯基鏻类碱性阴离子交换膜的制备及性能研究
碱性阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）是近年来出现的一类新型燃料电池，它有望同时拥有质子交换膜燃料电池与传统的碱性燃料电池的优点。作为碱性膜燃料电池的核心组件之一，现阶段所研究的碱性膜依然存在着耐碱能力差、离子传导率低等问题。针对这些问题，本文提出了若干新的研究思路，获得了几类综合性能较好的碱性阴离子交换膜。具体研究内容如下: 1、以具有良好化学稳定性的聚膦腈链作为骨架，以耐碱能力较强的四苯基鏻结构（TPHP-1）作为导电功能基团，通过亲核取代反应制备了不同离子交换容量(IEC)的聚膦腈膜(PPMPP-1系列膜)，并对其燃料电池相关性能进行了探究。当TPHP-1的投料比为40％eq.时所得PPMPP-1-40(IEC=0.74mmol·g-1)膜具有最优的综合性能。在80℃时离子传导率达20.5mS·cm-1，且在30℃条件下的1mol·L-1KOH溶液中浸泡十天后，结构稳定，其耐碱能力较之前报道的苄基季鏻结构有明显提高。 2、通过在四苯基鏻的苯基上引入不同的供电子基团，以期进一步增强四苯基鏻结构的离子传导能力和耐碱能力。合成了溴化(4-羟基苯基)三（4-（甲基）苯基）鏻（TPHP-2）、溴化（4-羟基苯基）三（4-（甲氧基）苯基）鏻（TPHP-3）、溴化（4-羟基苯基）三(4-(叔丁基)苯基）鏻（TPHP-4），并制备了相应的膜PPMPP-2、PPMPP-3和PPMPP-4（统称PPMPP2-4系列膜）。将其离子传导能力进行比较发现，离子传导率的高低顺序为PPMPP-3＞PPMPP-4＞PPMPP-2＞PPMPP-1，即离子传导率随着取代基供电子能力的提高而提高。其中PPMPP-3（IEC=0.72mmol·g-1）膜的离子传导率最高，在80℃时达23.3mS·cm-1。将PPMPP2-4系列膜分别在30/60℃条件下的1mol·L-1KOH溶液中浸泡十天后，其相应的碱稳定性也表现出同样规律。其中甲氧基衍生的PPMPP-3膜结构具有最优性能，在30℃条件下结构稳定，60℃条件下浸泡10天后离子传导率下降仅为7.6％。 3、为了使膜具有更高的离子传导率，需在保证膜尺寸稳定性的前提下改善膜的亲水性能以提升OH-在膜中的有效淌度。首先采用甘油缩丙酮醇钠结构对聚膦腈主链进行部分取代，再在主链上引入TPHP-3季鏻盐。通过对甘油缩丙酮结构的酸化开环，在离聚物中引入醇羟基。为防止膜过度吸水溶胀，以戊二醛缩醛反应对羟基进行交联。通过调节交联度制备了PPMPP-5系列膜。实验发现随着交联程度的上升膜的水吸收率逐渐下降，其中IEC=0.56mmol·g-1，室温WU为17.9％的PPMPP-5-60膜在80℃条件下导电率为27.9mS·cm-1，膜的综合性能最佳。
燃料电池;碱性阴离子交换膜;聚膦腈;四苯基鏻;制备工艺;离子传导率;耐碱性能
北京化工大学
硕士
化学
汪中明
2016
中文
TM911.48;TM242:TM205.1
90
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）