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《聚苯醚基質子交換膜的制備與性能研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-天天文庫。
1、中圖分類號：TB324單位代碼：11414學號：2012316010題目聚苯醚基質子交換膜的制備與性能研究學科專業(yè)材料科學與工程研究方向聚合物高性能化博士生鄒功文指導教師周瓊教授趙昆教授二○一七年五月StudyonthePreparationandPerformancesofPEMsbasedonPoly(2,6-dimethyl-1,4-phenyleneoxide)forFuelCellsDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,Beijinginpartialfulfillmentoftherequireme
2、ntsforthedegreeofDoctorofEngineeringByZouGongwen（MaterialsScienceandEngineering）DissertationSupervisorProf.ZhouQiongandProf.ZhaoKunMay,2017-I-摘要摘要聚芳醚因其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性以及機械性能，被認為是直接甲醇燃料電池（DMFC）和高溫燃料電池（HT-PEMFC）質子交換膜的理想替代材料。質子傳導特性是質子交換膜材料的核心性能，通?？赏ㄟ^引入高含量的磺酸根或膦酸根來提高離子交換容量（IEC）和質子電導率，但高的離子基團含量會導
3、致膜材料由于過度吸水而造成尺寸穩(wěn)定性差、甲醇滲透率高和電化學穩(wěn)定性不足等問題。近年來人們一直試圖通過共混、復合等方法提高和改善膜材料的相關特性。本文考慮以聚芳醚的聚苯醚（PPO）為基體材料，在其苯環(huán)上分別引入磺酸根、膦酸根、堿性季銨鹽基團并吸附磷酸分子。通過溶液共混將磺化聚苯醚（sPPO）與膦化聚苯醚（pPPO）各自的優(yōu)點結合，以達到平衡質子交換膜的質子電導率和甲醇滲透率的目的，更好地裁剪膜的性能。通過加入納米填料氮化碳（g-C3N4）和乙二胺改性的氧化石墨烯（GO-EDA），改善磷酸摻雜膜的性能。納米填料與聚合物之間的氫鍵作用或交聯(lián)作用不僅提高了膜的機械強度，也改善了膜
4、的尺寸穩(wěn)定性和質子傳導性能。在第二章中，研究了磺化度對磺化聚苯醚（sPPO）性能的影響規(guī)律。隨著磺化度的增加，IEC值、吸水率和電導率越高，但導致溶脹率和甲醇率提高。將磺化聚二乙烯基苯微球（sPDVB）與sPPO復合，sPDVB微球尺寸約為1-2微米，在sPPO基體中均勻分散。sPDVB與sPPO復合降低膜的吸水率和甲醇滲透率，并且復合膜熱穩(wěn)定性和機械性能也有所提高。在第三章中，研究了膦化聚苯醚（pPPO）的質子傳輸特性。膦酸根與磺酸根的性質有著很大不同的，其酸性較低，水解常數(shù)較大，但穩(wěn)定性較好，高溫下可以形成三維的氫鍵網(wǎng)絡。將pPPO與sPPO進行溶液共混，制備了共混型
5、質子交換膜。sPPO的加入可以保證膜具有高的IEC和質子電導率，而pPPO的加入則提高膜甲醇阻隔性、熱穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性?？刂苝PPO與sPPO的比例將能更好地調節(jié)質子交換膜的性能以應用于直接甲醇燃料電池。在第四章中，由于有機膦酸根基團的質子遷移速率較低，將pPPO與堿性聚合物聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）進行溶液共混。利用PVP的含N雜環(huán)吸附小分子的H3PO4，依靠H3PO4構筑的三維氫鍵網(wǎng)絡可以傳輸質子。共混膜的體積溶脹比、磷酸吸附量及質子電導率隨著PVP含量的增加而增加。但是，磷酸分子急劇降低了共混膜的機械強度。為了進一步優(yōu)化共混膜的性能，在共混膜的基礎上再
6、加入了-II-摘要氮化碳（g-C3N4）。無機填料g-C3N4可以提高磷酸摻雜膜的尺寸穩(wěn)定性和機械性能，此外g-C3N4含有的-NH2基團可以形成氫鍵有助于質子的傳導。在第五章中，基于前面依靠堿性基團吸附磷酸分子來傳輸質子，采用先甲基溴化再進行季銨鹽化反應制備兩種不同的堿性聚苯醚膜，最后吸附磷酸分子制備磷酸摻雜聚苯醚基質子交換膜。與三甲胺季銨化膜（BPPO-TMA）相比，三乙胺季銨化膜（BPPO-TEA）的吸水率、磷酸吸附量和溶脹比均要高，但其質子電導率相對低一些。并且兩類季銨化膜的吸水率、磷酸吸附量、溶脹比和質子電導率均是隨著溴化量的增加而增加。另一方面，通過加入乙二胺
7、改性的氧化石墨烯（GO-EDA），制備了GO-EDA/BPPO-TMA-PA復合質子交換膜。GO-EDA的表面的-NH2與BPPO形成化學交聯(lián)鍵，可以提高磷酸摻雜膜的質子傳輸性能。同時GO-EDA的引入，提高膜的尺寸穩(wěn)定性、機械性能和熱穩(wěn)定性。關鍵詞：聚苯醚；質子交換膜；燃料電池；復合-III-ABSTRACTStudyonthePreparationandPerformancesofPEMsbasedonPoly(2,6-dimethyl-1,4-phenyleneoxide)forFuelCellsABSTRACTArom
