直接甲醇燃料电池用磺化聚（醚醚酮—苯并咪唑）的合成与表征

论文摘要

质子交换膜作为直接甲醇燃料电池（DMFC）的关键组成部分,在电池中具有传导质子与隔离燃料和氧化剂的双重作用。本文以二氟二苯酮和磺化二氟二苯酮与含苯并咪唑结构的双酚通过亲核共聚,合成了新型共聚物-磺化聚（醚醚酮-苯并咪唑）,并用1H-NMR和FTIR证实了其化学结构。通过调整原料中二氟二苯酮与磺化二氟二苯酮的比例,可方便准确的控制聚合物中磺酸基团与苯并咪唑基团之间的比例。采用钠离子交换法和强碱中和法测定聚合物的离子交换容量,两种方法测试结果表明磺化聚（醚醚酮-苯并咪唑）的分子内和分子间存在强的酸碱相互作用,这种酸碱相互作用增强了聚合物膜的机械强度。聚合物膜在热水（80℃）和醇中具有良好的机械稳定性。测定了不同磺化度的SPEEK-BI膜的阻醇性能、机械性能以及质子电导率,以评估其在DMFC中应用的可能。测试结果表明,SPEEK-BI膜具有较高的质子电导率,优异的阻醇性能、机械强度以及化学稳定性,说明该材料在DMFC方面具有较好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 燃料电池简介
• 1.1.1 燃料电池的优点
• 1.1.2 燃料电池的分类
• 1.2 质子交换膜燃料电池
• 1.3 直接甲醇燃料电池
• 1.4 直接甲醇燃料电池用质子交换膜的研究进展
• 1.4.1 全氟磺酸质子交换膜
• 1.4.2 部分氟化聚合物质子交换膜
• 1.4.3 非氟质子交换膜
• 1.4.3.1 聚苯并咪唑（PBI）膜
• 1.4.3.2 磺化聚醚醚酮质子交换膜
• 1.4.3.3 磺化聚醚砜质子交换膜
• 1.4.3.4 磺化聚酰亚胺质子交换膜
• 1.4.3.5 酸-碱交联质子交换膜
• 1.5 本文研究内容
• 参考文献
• 第二章 磺化聚（醚醚酮-苯并咪唑）的合成
• 2.1 试剂
• 2.2 单体名称、结构及来源
• 2.3 单体的合成
• 2.3.1 3,3'-二磺酸钠基-4,4'-二氟二苯酮（SDFK）的合成
• 2.3.2 苯并咪唑双酚（HPBI）的合成
• 2.4 磺化聚（醚醚酮-苯并咪唑）（SPEEK-BI）的合成
• 2.5 共聚物20SPEEK Contailling-10%Benzimidzole的合成
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 磺化（聚醚醚酮-苯并咪唑）的结构表征及物理性能
• 3.1 仪器及测试方法
• 3.1.1 核磁共振谱图（NMR）
• 3.1.2 傅立叶红外光谱图（FTIR）
• 3.1.3 特性粘度（Inherent Viscosity）测定
• 3.1.4 热重分析（TGA）
• 3.1.5 离子交换容量的测定
• 3.2 单体表征
• 3.2.1 3,3'-二磺酸钠基-4,4'-二氟二苯酮
• 3.2.2 苯并咪唑双酚（HPBI）
• 3.3 磺化（聚醚醚酮-苯并咪唑）
• 3.3.1 磺化聚（醚醚酮-苯并咪唑）的结构
• 3.3.2 磺化聚（醚醚酮-苯并咪唑）的热稳定性
• 3.3.3 磺化聚（醚醚酮-苯并咪唑）的溶解性
• 3.3.4 磺化聚醚醚酮的离子交换容量
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 磺化聚（醚醚酮-苯并咪唑）膜的表征
• 4.1 磺化聚（醚醚酮-苯并咪唑）质子交换膜的表征方法
• 4.1.1 聚合物膜制备
• 4.1.2 吸水率与溶胀率测定
• 4.1.3 机械强度测试
• 4.1.4 阻醇性能测试
• 4.1.5 质子电导率测试
• 4.1.6 水解与氧化稳定性测试
• 4.2 磺化聚（醚醚酮酮-苯并咪唑）质子交换膜的性质
• 4.2.1 吸水率与溶胀率
• 4.2.2 机械性能
• 4.2.3 阻醇性能
• 4.2.4 质子电导率
• 4.2.5 水解与氧化稳定性
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 磺化聚（醚醚酮—苯并咪唑）交联改性探索
• 5.1 交联聚合物膜的制备
• 5.2 交联聚合物膜溶解性能测试
• 5.3 交联聚合物膜的机械性能
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 展望:对未来工作的建议
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录