新型聚苯并咪唑类高温质子交换膜的制备和性能表征
聚苯并咪唑(PBI)因其具备的独特优势，使之作为高温质子交换膜最具潜力的材料之一，受到了人们的广泛关注。但是，商业化的PBI高温膜在实际应用中存在着一些缺陷，如:可加工性差、质子传导率较低、在运行过程中容易被自由基氧化、以及酸流失等问题，限制了其进一步的发展。 针对这些问题，本文从PBI的聚合物单体设计入手，通过改变聚合单体的结构、以及聚合方式，在微波条件下制备了三个系列的新型共聚物及其相应系列的膜材料，探索了相应的燃料电池性质，主要结论如下: (1)含联吡啶单元的非平面骨架PBI共聚物及其膜材料研究。设计合成并表征了4，4'-[(4，4'-联吡啶)-2，6]-二苯甲酸(BPY)单体，通过调节BPY、吡啶二甲酸的比例，与联苯四胺进行三元共聚，在微波条件下制备了系列非平面骨架共聚物BPY-PBI-x及其膜材料。在PBI骨架中引入大体积非平面联吡啶结构单元，解决了商业PBI加工性差和传导率较低的问题。此外由于吡啶氮原子易形成氮氧键，在一定程度上减缓了PBI骨架的自由基氧化过程，提高了膜材料的使用寿命。在酸掺杂量方面，该系列膜具有较高的酸掺杂量，使得质子传导率最高可达78.6mS·cm-1。 (2)含硫醚结构单元的PBI嵌段共聚物及其膜材料研究。利用BPY单体设计制备了bpy-block以及含硫醚结构单元的s-block低聚物，在微波条件下制备了抗氧化能力更强的嵌段共聚物。所制备硫醚结构单元比例在40％时，相应的s-PBI-40％膜传导率在160℃时传导率最高达60.5mS·cm-1。而膜的抗氧化性能也得到了显著的提升，在80℃高浓度Feton测试下，发现30h后s-PBI-40％膜损失约为5％，从而有效改善了膜的使用寿命。 (3)含哌嗪结构单元的PBI共聚物及其膜材料研究。设计合成了含有哌嗪结构单元的PZDT单体，通过调节PZDT、吡啶二甲酸的比例，与联苯四胺进行三元共聚，在PBI骨架上引入了碱性较强的哌嗪单元，制备了系列固酸能力较强的膜材料。随着PZDT比例的增加，酸的掺杂量有了较为明显的增加，传导率在160℃是为46.8mS·cm-1。其中PZDT-PBI-40％膜能保持将近85％的磷酸，这说明了提高碱性位点的碱性强度能有效地减少磷酸的流失。
高温质子交换膜;聚苯并咪唑;制备工艺;性能表征;化学结构
北京化工大学
硕士
化学
韩克飞
2017
中文
TB383
94
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）