壳聚糖/beta沸石杂化DMFC膜的制备和阻醇性能研究

论文摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）以其高能量密度、低污染、系统结构简单、启动时间短、运行可靠性高以及燃料补充方便等优点,被认为是具有广阔应用前景的理想动力源之一。但是,Nafion?等DMFC用全氟磺酸膜存在严重的甲醇渗透问题,并且价格昂贵。因此,研制价格低廉的阻醇质子交换膜具有重要意义。本研究采用在醇水分离领域得到广泛应用的壳聚糖为高分子膜材料,beta沸石为无机填充材料,制备了不同颗粒大小的beta沸石填充壳聚糖杂化膜。为改善杂化膜中有机和无机组分间的界面形态,提高二者的相容性,采用不同的方法对beta沸石进行表面修饰,制备了表面改性沸石填充壳聚糖杂化膜。采用SEM、TEM、FT-IR、XPS、XRD、TGA等测试方法对beta沸石和杂化膜进行表征分析,并系统考察beta沸石粒径大小对杂化膜结构和性能的影响,以及beta沸石的表面改性对杂化膜界面形态、结构和性能的影响。结果表明,粒径约为800nm的沸石填充的壳聚糖杂化膜表现出较好的阻醇性能,300nm沸石填充的壳聚糖杂化膜则表现出稍高的质子传导率,而粒径在5μm左右的沸石在杂化膜制备过程中出现沉积分层现象。表面改性沸石填充壳聚糖杂化膜具有更低的甲醇渗透率,尤其是3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）改性沸石填充量为30%的杂化膜,其甲醇渗透率在12mol/L甲醇浓度条件下仅为Nafion?117膜的7%。尽管表面改性对杂化膜的质子传导率提高有限,但是由于甲醇渗透率进一步降低,表面改性沸石填充的杂化膜表现出更高的选择性。其中,MPTMS改性沸石填充量为30%的杂化膜在12mol/L甲醇浓度条件下的选择性为同等条件下Nafion?117膜的4.6倍,显示了良好的综合性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 直接甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell, DMFC）
• 1.2 质子交换膜（proton exchange membrane, PEM）的研究进展
• 1.2.1 全氟磺酸膜
• 1.2.2 PEM阻醇性能的提高
• 1.2.2.1 全氟或部分氟化磺酸膜的改性
• 1.2.2.2 非氟膜材料的开发
• 1.3 有机/无机杂化膜的研究
• 1.3.1 用于DMFC的有机/无机杂化膜
• 1.3.2 有机/无机杂化膜的界面形态
• 1.4 研究工作的提出
• 1.4.1 膜材料的选择
• 1.4.2 主要研究思路
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验材料和仪器设备
• 2.2 Beta沸石的合成与表面改性
• 2.2.1 Beta沸石的合成
• 2.2.2 Beta沸石的表面改性
• 2.2.2.1 磺化改性
• 2.2.2.2 表面接枝聚合改性
• 2.3 壳聚糖/沸石杂化膜的制备
• 2.4 沸石和膜的表征及性能测试
• 2.4.1 X射线衍射（XRD）
• 2.4.2 傅立叶转变红外光谱（FT-IR）
• 2.4.3 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.4.4 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.5 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.6 热重分析（TGA）
• 2.4.7 离子交换容量（IEC）
• 2.4.8 膜的吸水率和甲醇吸附率
• 2.4.9 甲醇渗透率（methanol permeability，P）
• 2.4.10 质子传导率（Proton conductivity，σ）
• 2.4.11 选择性（Selectivity，β）
• 第三章 壳聚糖/beta沸石杂化膜
• 3.1 Beta沸石的结构
• 3.1.1 XRD
• 3.1.2 SEM和TEM
• 3.1.3 TGA
• 3.2 壳聚糖/Beta沸石杂化膜（CS/Beta）的结构
• 3.2.1 SEM
• 3.2.2 FT-IR
• 3.2.3 XRD
• 3.2.4 TGA
• 3.3 壳聚糖/Beta沸石（CS/Beta）杂化膜的性能
• 3.3.1 CS/Beta杂化膜的吸水率和甲醇吸附率
• 3.3.2 CS/Beta杂化膜的离子交换容量（IEC）
• 3.3.3 CS/Beta杂化膜的甲醇渗透率（P）
• 3.3.4 CS/Beta杂化膜的质子传导率（σ）
• 3.3.5 选择性（β）
• 3.4 小结
• 第四章 壳聚糖/磺化beta沸石杂化膜
• 3H）的结构'>4.1 磺化beta沸石（BetaSO₃H）的结构
• 4.1.1 FT-IR
• 4.1.2 XPS
• 4.1.3 XRD
• 4.1.4 TGA
• 3H）的结构'>4.2 壳聚糖/磺化beta沸石杂化膜（CS/BetaSO₃H）的结构
• 4.2.1 FT-IR
• 4.2.2 XRD
• 4.2.3 TGA
• 3H）杂化膜的性能'>4.3 壳聚糖/磺化beta沸石（CS/BetaSO₃H）杂化膜的性能
• 3H杂化膜的吸水率和甲醇吸附率'>4.3.1 CS/BetaSO₃H杂化膜的吸水率和甲醇吸附率
• 3H杂化膜的离子交换容量（IEC）'>4.3.2 CS/BetaSO₃H杂化膜的离子交换容量（IEC）
• 3H杂化膜的甲醇渗透率（P）'>4.3.3 CS/BetaSO₃H杂化膜的甲醇渗透率（P）
• 3H杂化膜的质子传导率（σ）'>4.3.4 CS/BetaSO₃H杂化膜的质子传导率（σ）
• 3H杂化膜的选择性（β）'>4.3.5 CS/BetaSO₃H杂化膜的选择性（β）
• 4.4 小结
• 第五章 壳聚糖/表面接枝beta沸石杂化膜
• 5.1 表面接枝beta沸石（g-Beta）的结构
• 5.1.1 TEM
• 5.1.2 FT-IR
• 5.1.3 TGA
• 5.2 壳聚糖/表面接枝beta沸石杂化膜（CS/g-Beta）的结构
• 5.2.1 SEM
• 5.2.2 XRD
• 5.2.3 TGA
• 5.3 壳聚糖/表面接枝beta沸石杂化膜（CS/g-Beta）的性能
• 5.3.1 CS/g-Beta杂化膜的吸水率和甲醇吸附率
• 5.3.2 CS/g-Beta杂化膜的离子交换容量（IEC）
• 5.3.3 CS/g-Beta杂化膜的甲醇渗透率（P）
• 5.3.4 CS/g-Beta杂化膜的质子传导率（σ）
• 5.3.5 CS/g-Beta杂化膜的选择性（β）
• 5.3 小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢