碱性膜燃料电池用新型阴离子交换膜的制备与研究
能源发展经历了从柴火时代到煤炭时代，再到油气时代、电气时代的演变。目前，世界能源供应主要依托于化石能源，它有力支撑了经济社会的快速发展。未来能源的发展趋势是以清洁能源代替传统能源，因此氢能、风能、太阳能等清洁能源得到人们越来越广泛的重视，清洁能源在保障世界能源供应、促进能源结构发展中，将发挥越来越重要的作用。近20年来，世界能源的利用分布发生了重大改变，总体上形成煤炭、石油、天然气三足鼎立，清洁能源快速发展的新格局。燃料电池由于便携方便、比能量密度高、转换效率高、无污染等优点，成为了氢能利用的最理想的装置。而在燃料电池领域中，聚合物膜燃料电池的发展越来越引人注目。 聚合物膜燃料电池主要包括碱性膜燃料电池(AEMFCs)和质子交换膜燃料电池(PEMFCs)。碱性膜燃料电池顾名思义是在碱性条件下工作的，它具有反应动力学常数高、反应效率高、催化剂成本低等优点，其核心组件就是单元内的阴离子交换膜即碱性膜(AEM)。因此，设计、制备出性能优异的碱性膜，对于碱性膜燃料电池乃至整个燃料电池领域的发展都具有重要意义。 碱性膜(AEM)发展至今的一个主要设计与制备思路是:选用一种在碱性条件下能够保持稳定化学性能的聚合物，将离子传导基团如季铵、季鳞、咪唑等接枝到聚合物骨架上，流延成膜，制备出功能型碱性膜。传统思路带来的问题主要是AEM的离子传导率较低以及碱稳定性不足。本文针对这两方面的问题，提出了一些新的思路，以期制备出性能良好的AEM。 1.离子液体复合膜的制备及游离型离子液体辅助离子传导机制的探索 在传统的聚苯醚-三乙胺(BPPO-TEA)碱性膜的基础上，在膜内引入了游离型的离子液体，让其均匀分散在膜内形成“活性位点”，利用离子液体单体对氢氧根离子的静电吸引作用，使其在膜内起到一个辅助氢氧根离子传导的作用。由于受到离子液体的“牵引力”，氢氧根离子可以更快的通过碱性膜，从而实现“跳跃式”传导，从根本上提高了碱性膜的离子传导率。在这一基础上，引入三种不同的离子液体，考察其结构对离子传导率提升程度的不同影响。离子液体的掺入使膜的离子传导率明显提升，最高达到纯膜传导率的2.5倍。 2.纳米二氧化钛-离子液体复合膜的制备及纳米二氧化钛稳定离子液体机制的探索 鉴于离子液体在高湿度环境下会从膜内发生一定程度的流失现象，在膜内引入了无机纳米材料纳米二氧化钛，利用其与离子液体之间的自组装作用，稳定在膜内的离子液体。纳米二氧化钛对离子液体的稳定作用使得更高浓度的游离离子液体可以稳定地存在于AEM内，从而更多的离子液体可以起到辅助氢氧根离子传导的作用，碱性膜的离子传导率会进一步提升。掺入纳米二氧化钛后，复合膜的离子传导率又有了明显的提高。 3.有机-无机复合膜的制备与研究 通过在碱性膜内掺入不同比例的纳米二氧化钛和不同种类的离子液体，制备出一系列有机-无机复合膜，考察纳米二氧化钛掺杂量和离子液体种类这两个变量对膜性能的影响。综合各方面性能可以发现，纳米二氧化钛-乙基离子液体复合膜的性能最优，离子传导率最高可达59.27mS/cm。 4.负载冠醚型碱性膜的制备与研究 要解决碱性膜碱稳定性不足的问题，需要从根本上对碱性膜的离子传导基团进行改善，我们引入了碱稳定性能优异的冠醚基团来替代传统的离子传导基团，以期能够改善碱性膜的碱稳定性。选用在酸、碱条件下都具备优异稳定性的聚合物聚磷腈作为AEM的骨架，将自主合成制备的功能冠醚基团接枝在聚合物上，同时辅以交联的手段提高碱性膜的尺寸稳定性。制备出的负载冠醚型碱性膜离子传导率高，碱稳定性强，膜在80℃下离子传导率高达70.6mS/cm，室温下强碱溶液中浸泡1000h后离子传导率的降解率仅为0.99％。
碱性膜燃料电池;阴离子交换膜;制备工艺;离子传导率;碱稳定性
北京化工大学
博士
化学
朱红
2016
中文
TM911.48;TM205.1
160
2017-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）