全氟磺酸质子交换膜的改性及应用性能研究

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全氟磺酸膜是一种以聚四氟乙烯结构为骨架,末端带有磺酸根的烯醚结构为侧链的全氟聚合物,具有优良的电化学性能以及热稳定性和化学稳定性能,不但被用作质子交换膜应用于燃料电池,而且还广泛的应用于膜辅助电解技术、海水淡化等领域中。本文制备了以多孔聚四氟乙烯（PTFE）薄膜增强Nafion膜,以Pt-Ru/C和Pt/C分别为阴极、阳极催化剂,自制多孔膜电极,并组装了单电池以及测试系统。以甲醇和氧气共同输送作为混合燃料,研究了阴极PTFE与Nafion含量及其分布对单电池的极化与功率特性以及单电池在放电运转过程中阴极氧化剂种类对单电池性能的影响,并考察了单电池的放电性能。研究表明气体扩散层中微孔碳层中PTFE的含量40wt.%,催化层PTFE为30wt.%时,在燃料供给条件为18.9ml·min-1 0.5mol·L-1的甲醇溶液+0.21min-1 O2时,MEA的电性能最好,0.125V稳定放电时最大功率可达0.55mW·cm-2。本文研究了PTFE网布增强全氟磺酸膜的制备及表面喷涂改性工艺,并将其应用于膜辅助电解装置,探讨其电性能的改变。结果表明在阳极为过滤后NaOH废液的条件下,整个体系的产品收率和电流效率都优于聚乙烯异相膜。本文研究了掺杂炭黑的复合全氟磺酸质子交换膜制备配方与工艺,并将其应用于自制的电吸附脱盐模块中处理高浓氯化钠溶液。通过交流阻抗法计算了两种膜的质子电导率,用XRD, SEM表征了其结构性能。在电吸附试验中,考察了流速,电压和这两种膜对电吸附的影响。结果表明：使用掺杂膜与原膜膜相比,电吸附量和出水浓度的稳定性都有很大的提高。

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ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 全氟磺酸型质子交换膜

1.2.1 全氟磺酸型质子交换膜的化学结构

1.2.2 全氟磺酸型质子交换膜的微观结构

1.2.3 全氟磺酸膜的制备与改性

1.2.4 全氟磺酸膜的应用

1.3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）

1.3.1 DMFC的工作原理

1.3.2 DMFC的优点

1.3.3 DMFC研究进展

1.4 膜辅助电解技术研究进展

1.5 电吸附脱盐

1.5.1 电吸附装置工作原理

1.5.2 吸附双电层模型

1.5.3 电吸附脱盐研究进展

1.6 选题的意义及研究重点

第二章实验部分

2.1 实验仪器

2.2 实验药品

2.3 实验方法

2.3.1 甲醇混合型燃料电池膜电极的制备

2.3.2 PTFE网布增强型全氟磺酸复合膜的制备

2.3.3 炭黑掺杂型全氟磺酸复合的制备

2.3.4 活性炭电极的制备

2.4 结构及性能表征

2.4.1 质子交换膜的宏观物理性能

2.4.2 SEM测试

2.4.3 X射线衍射测试（XRD）

2.4.4 交流阻抗测试

2.4.5 ATR-FTIR测试

2.4.6 单电池性能测试

2.4.7 质子交换膜用于电解食盐水电性能测试

2.4.8 质子交换膜用于膜电催化反应器电性能测试

2.4.9 电吸附脱盐性能测试

第三章甲醇混合型燃料电池膜电极的制备及性能研究

3.1 实验背景

3.2 阴极PTFE含量的对MEA的开路电压的影响

3.3 阴极微孔层中PTFE含量的对MEA电性能的影响

3.4 阴极催化层中PTFE含量的对MEA电性能的影响

3.5 阴极Nafion聚合物分布对电池性能的影响

3.6 不同燃料供给方式对MEA电性能的影响

3.7 单电池的放电性能

3.8 多孔MEA的微观结构

第四章增强型全氟磺酸复合膜的工艺及性能研究

4.1 复合膜制备工艺条件探讨

4.1.1 成膜条件选择

4.1.2 网布密度选择

-的能力'>4.2 不同膜阻挡OH^-的能力

4.3 不同复合膜在电解食盐水时的电性能

4.4 复合膜用于离子膜电催化反应器时的电性能

4.4.1 反应电压的选择

4.4.2 温度对电催化反应的影响

4.4.3 阳极反应物为氢氧化钠溶液时的产品情况

4.4.4 阳极反应物为黑液时的产品情况

第五章掺杂碳黑型全氟磺酸复合的性能研究

5.1 掺杂炭黑的全氟磺酸复合膜的宏观物理性能

5.2 掺杂炭黑的全氟磺酸复合膜的导电性能

5.3 XRD分析

5.4 ATR-FTIR分析

第六章掺杂炭黑质子交换膜对电吸附脱盐性能的影响

6.1 SEM分析

6.2 电吸附脱盐性能

6.2.1 负载炭黑质子交换膜对电吸附脱盐性能影响

6.2.2 流速的影响

6.2.3 电压的选择

第七章结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书

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