张晓宇:氨基功能化介孔氧化硅对SPEEK/IL复合膜性能的影响论文

张晓宇:氨基功能化介孔氧化硅对SPEEK/IL复合膜性能的影响论文

本文主要研究内容

作者张晓宇(2019)在《氨基功能化介孔氧化硅对SPEEK/IL复合膜性能的影响》一文中研究指出:中温质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有较高的能量转换效率,优异的CO耐受性及简化的水热管理,成为了目前的研究热点。质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)是PEMFC的核心部件,主要起着阻隔阴极和阳极,并传导质子的作用。目前,商用的PEM多为全氟磺酸膜(Nafion),尽管其电导率高,稳定性较好,但其价格昂贵,导电过度依赖水,需在不断加湿条件下才能正常工作,造成水管理困难。在中温时,由于水分的蒸发,PEM内质子传递过程会出现断垒,严重影响了电池效率,限制了 PEMFC在中温下的应用。因此,研制可在中温、不加湿条件下导电的PEM是使PEMFC走向广泛应用的关键课题之一。离子液体(Ionic Liquid,IL)作为一种室温熔融盐,在中温、不加湿条件下有高电导率,电化学窗口宽且稳定、饱和蒸气压低,是较理想的可替代水的质子导体。在中温PEM应用中,可将IL掺杂到聚合物中,如磺化聚醚醚酮(SPEEK,SP),从而制备在中温、不加湿条件下导电的SPEEK/IL复合膜。SPEEK易于合成、价格低廉、环境友好,与Nafion具有类似结构但比Nafion综合性能更佳。但液态的IL会溶于水,易流失,且这类复合膜的机械性能较差。因此,需引入稳定的无机固体填料搭载IL,如介孔氧化硅(NMS),可利用其表面相互作用保留IL并提高复合膜的机械性能。但研究发现,因氧化硅自身不导电稀释了质子传导位点,破坏了质子跳跃的连续性,进而导致复合膜的电导率随着填料含量的增加而下降。经进一步研究发现,对氧化硅表面进行改性,可以提高其电导率。本文主要研究内容和结论如下:1)基于改性的介孔氧化硅在复合膜中构建连续的质子通道。首先,通过后嫁接法制备了氨基化介孔氧化硅(AMS),并优化介孔氧化硅的氨基接枝量。把经改性后介孔氧化硅AMS掺入到聚合物SPEEK和IL中,制备了 SP/IL/AMS复合膜。膜断面SEM结果显示,改性后介孔氧化硅均匀分散在复合膜中,构建了连续的通道,降低了质子跳跃能垒,提高了质子电导率。在中温、不加湿条件下,掺杂AMS的SP/IL/AMS复合膜的电导率是掺杂未改性NMS的SP/IL/NMS复合膜的4倍;2)基于咪唑型IL(N-乙基咪唑三氟甲磺酸盐EIm[Tfo]),在复合膜中不加湿条件下协同构成质子传递的通道。咪唑型IL由b(?)nsted酸(质子供体)和b(?)nsted碱(质子受体)组成的结构能够使其允许质子直接从质子供体跳到质子受体上。采用自组装法制备了中温、不加湿导电的SP/IL/AMS复合膜。傅里叶变换-红外光谱结果显示,SPEEK与IL,SPEEK与AMS之间靠分子间力、静电力结合。氨基的引入构成了连续的通道,IL的引入促使在不加湿条件下导电;3)基于AMS中氨基与SPEEK中磺酸根的相互作用,提高了复合膜的尺寸稳定性、拉伸强度。所有掺杂AMS的SP/IL/AMS复合膜的面积膨胀均低于SP/IL/NMS复合膜,氨基含量最高的SP/IL/3-AMS复合膜的膨胀程度最低。这是由于AMS上的-NH2和SPEEK上的-SO3H之间的酸碱相互作用,使复合膜的溶胀度下降,并增强其尺寸稳定性;4)复合膜的动态热力学结果和热重结果显示,NMS及AMS的掺杂增强了复合膜的机械性能和热稳定性,且所有复合膜在270℃内均能稳定存在。以上结果表明,本文所制备的复合膜是中温、不加湿条件下应用在PEMFC中有潜力的候选者。

Abstract

zhong wen zhi zi jiao huan mo ran liao dian chi (Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)ju you jiao gao de neng liang zhuai huan xiao lv ,you yi de COnai shou xing ji jian hua de shui re guan li ,cheng wei le mu qian de yan jiu re dian 。zhi zi jiao huan mo (Proton Exchange Membrane,PEM)shi PEMFCde he xin bu jian ,zhu yao qi zhao zu ge yin ji he yang ji ,bing chuan dao zhi zi de zuo yong 。mu qian ,shang yong de PEMduo wei quan fu huang suan mo (Nafion),jin guan ji dian dao lv gao ,wen ding xing jiao hao ,dan ji jia ge ang gui ,dao dian guo du yi lai shui ,xu zai bu duan jia shi tiao jian xia cai neng zheng chang gong zuo ,zao cheng shui guan li kun nan 。zai zhong wen shi ,you yu shui fen de zheng fa ,PEMnei zhi zi chuan di guo cheng hui chu xian duan lei ,yan chong ying xiang le dian chi xiao lv ,xian zhi le PEMFCzai zhong wen xia de ying yong 。yin ci ,yan zhi ke zai zhong wen 、bu jia shi tiao jian xia dao dian de PEMshi shi PEMFCzou xiang an fan ying yong de guan jian ke ti zhi yi 。li zi ye ti (Ionic Liquid,IL)zuo wei yi chong shi wen rong rong yan ,zai zhong wen 、bu jia shi tiao jian xia you gao dian dao lv ,dian hua xue chuang kou kuan ju wen ding 、bao he zheng qi ya di ,shi jiao li xiang de ke ti dai shui de zhi zi dao ti 。zai zhong wen PEMying yong zhong ,ke jiang ILcan za dao ju ge wu zhong ,ru huang hua ju mi mi tong (SPEEK,SP),cong er zhi bei zai zhong wen 、bu jia shi tiao jian xia dao dian de SPEEK/ILfu ge mo 。SPEEKyi yu ge cheng 、jia ge di lian 、huan jing you hao ,yu Nafionju you lei shi jie gou dan bi Nafionzeng ge xing neng geng jia 。dan ye tai de ILhui rong yu shui ,yi liu shi ,ju zhe lei fu ge mo de ji xie xing neng jiao cha 。yin ci ,xu yin ru wen ding de mo ji gu ti tian liao da zai IL,ru jie kong yang hua gui (NMS),ke li yong ji biao mian xiang hu zuo yong bao liu ILbing di gao fu ge mo de ji xie xing neng 。dan yan jiu fa xian ,yin yang hua gui zi shen bu dao dian xi shi le zhi zi chuan dao wei dian ,po huai le zhi zi tiao yue de lian xu xing ,jin er dao zhi fu ge mo de dian dao lv sui zhao tian liao han liang de zeng jia er xia jiang 。jing jin yi bu yan jiu fa xian ,dui yang hua gui biao mian jin hang gai xing ,ke yi di gao ji dian dao lv 。ben wen zhu yao yan jiu nei rong he jie lun ru xia :1)ji yu gai xing de jie kong yang hua gui zai fu ge mo zhong gou jian lian xu de zhi zi tong dao 。shou xian ,tong guo hou jia jie fa zhi bei le an ji hua jie kong yang hua gui (AMS),bing you hua jie kong yang hua gui de an ji jie zhi liang 。ba jing gai xing hou jie kong yang hua gui AMScan ru dao ju ge wu SPEEKhe ILzhong ,zhi bei le SP/IL/AMSfu ge mo 。mo duan mian SEMjie guo xian shi ,gai xing hou jie kong yang hua gui jun yun fen san zai fu ge mo zhong ,gou jian le lian xu de tong dao ,jiang di le zhi zi tiao yue neng lei ,di gao le zhi zi dian dao lv 。zai zhong wen 、bu jia shi tiao jian xia ,can za AMSde SP/IL/AMSfu ge mo de dian dao lv shi can za wei gai xing NMSde SP/IL/NMSfu ge mo de 4bei ;2)ji yu mi zuo xing IL(N-yi ji mi zuo san fu jia huang suan yan EIm[Tfo]),zai fu ge mo zhong bu jia shi tiao jian xia xie tong gou cheng zhi zi chuan di de tong dao 。mi zuo xing ILyou b(?)nstedsuan (zhi zi gong ti )he b(?)nstedjian (zhi zi shou ti )zu cheng de jie gou neng gou shi ji yun hu zhi zi zhi jie cong zhi zi gong ti tiao dao zhi zi shou ti shang 。cai yong zi zu zhuang fa zhi bei le zhong wen 、bu jia shi dao dian de SP/IL/AMSfu ge mo 。fu li xie bian huan -gong wai guang pu jie guo xian shi ,SPEEKyu IL,SPEEKyu AMSzhi jian kao fen zi jian li 、jing dian li jie ge 。an ji de yin ru gou cheng le lian xu de tong dao ,ILde yin ru cu shi zai bu jia shi tiao jian xia dao dian ;3)ji yu AMSzhong an ji yu SPEEKzhong huang suan gen de xiang hu zuo yong ,di gao le fu ge mo de che cun wen ding xing 、la shen jiang du 。suo you can za AMSde SP/IL/AMSfu ge mo de mian ji peng zhang jun di yu SP/IL/NMSfu ge mo ,an ji han liang zui gao de SP/IL/3-AMSfu ge mo de peng zhang cheng du zui di 。zhe shi you yu AMSshang de -NH2he SPEEKshang de -SO3Hzhi jian de suan jian xiang hu zuo yong ,shi fu ge mo de rong zhang du xia jiang ,bing zeng jiang ji che cun wen ding xing ;4)fu ge mo de dong tai re li xue jie guo he re chong jie guo xian shi ,NMSji AMSde can za zeng jiang le fu ge mo de ji xie xing neng he re wen ding xing ,ju suo you fu ge mo zai 270℃nei jun neng wen ding cun zai 。yi shang jie guo biao ming ,ben wen suo zhi bei de fu ge mo shi zhong wen 、bu jia shi tiao jian xia ying yong zai PEMFCzhong you qian li de hou shua zhe 。

论文参考文献

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  • 论文详细介绍

    论文作者分别是来自延边大学的张晓宇,发表于刊物延边大学2019-07-16论文,是一篇关于氨基功能化介孔氧化硅论文,磺化聚醚醚酮论文,离子液体论文,质子交换膜论文,不加湿导电论文,延边大学2019-07-16论文的文章。本文可供学术参考使用,各位学者可以免费参考阅读下载,文章观点不代表本站观点,资料来自延边大学2019-07-16论文网站,若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权,请联系我们删除。

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