1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体合成及复合膜性质研究

论文摘要

质子交换膜（PEM）是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心元件,为解决低温PEM所产生的诸如：电导率低、水热管理困难、催化剂Pt易受CO毒化等技术问题,发展可在110℃以上使用的高温PEM已成为该领域的研究热点。离子液体由于其具有的低熔点、高电导率及良好的热稳定性等优点,成为发展高温PEM的理想电解质。本研究以N-甲基咪唑、氯代丁烷及六氟磷酸为原料合成室温离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BMIMPF6）。通过溶液浇注法,将BMIMPF6分别与磺化聚醚醚酮（SPEEK）和聚偏氟乙烯（PVDF）复合成膜。通过浸泡法,制备BMIMPF6/Nafion复合膜。研究BMIMPF6及其复合膜BMIMPF6/SPEEK, BMIMPF6/PVDF及BMIMPF6/Nafion在110℃以上无水条件下的电导率及室温25℃和110℃,130℃高温下的机械性能。在240℃时,BMIMPF6的电导率为0.118 S/cm;在不加湿条件下,在200℃时,BMIMPF6/Nafion复合膜电导率为0.0030 S/cm;在160℃时,BMIMPF6质量分数为60%的BMIMPF6/PVDF复合膜电导率为0.023 S/cm.在BMIMPF6质量分数为40%,磺化度为70%的BMIMPF6/SPEEK复合膜中分别加入三氟甲烷磺酸（TFMSA）及多孔物质SiO2-P2O5后,复合膜电导率由0.0015 S/cm上升到0.0136 S/cm及0.0051 S/cm.在温度及离子液体质量分数相同的条件下,BMIMPF6/PVDF的机械性能优于BMIMPF6/SPEEK的机械性能。在130℃下,当BMIMPF6的质量分数均为40%时,BMIMPF6/PVDF的最大拉伸强度为3.7 MPa,而磺化度为45%的BMIMPF6/SPEEK的最大拉伸强度则为0.45 MPa。BMIMPF6/SPEEK的机械性能通过甘油及乙二醇对SPEEK交联提高。研究测试了复合膜中离子液体不同质量分数以及温度变化对复合膜机械性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 离子液体简介
• 1.2.1 离子液体定义
• 1.2.2 离子液体发展
• 1.2.3 离子液体性质
• 1.2.4 离子液体分类
• 1.2.5 离子液体的合成
• 1.2.5.1 直接合成法
• 1.2.5.2 两步合成法
• 1.2.6 离子液体发展前景
• 1.3 离子液体聚合物电解质
• 1.3.1 离子液体聚合物电解质简介
• 1.3.2 离子液体聚合物电解质的制备
• 1.3.3 离子液体聚合物电解质的技术要求
• 1.4 质子交换膜
• 1.4.1 质子交换膜简介
• 1.4.2 质子交换膜导电机理
• 1.4.2.1 全氟磺酸膜导电机理
• 1.4.2.2 非氟磺酸膜导电机理
• 1.4.2.3 离子液体聚合物电解质导电机理
• 1.4.3 离子液体聚合物电解质发展展望
• 1.5 本课题研究背景及意义
• 6的合成与性能表征'>第2章 离子液体BMIMPF₆的合成与性能表征
• 2.1 实验原料、设备及分析仪器
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验及分析仪器
• 2.2 实验部分
• 6的合成'>2.2.1 离子液体BMIMPF₆的合成
• 6的表征'>2.2.2 离子液体BMIMPF₆的表征
• 6的红外光谱检测'>2.2.2.1 离子液体BMIMPF₆的红外光谱检测
• 6电导率测定'>2.2.2.2 离子液体BMIMPF₆电导率测定
• 2.3 实验结果与讨论
• 6的红外光谱分析'>2.3.1 离子液体BMIMPF₆的红外光谱分析
• 6的电导率以及活化能'>2.3.2 离子液体BMIMPF₆的电导率以及活化能
• 2.4 小结
• 6/SPEEK复合膜制备与性能表征'>第3章 BMIMPF₆/SPEEK复合膜制备与性能表征
• 3.1 实验原料、设备及分析仪器
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验及分析仪器
• 3.2 实验部分
• 6/SPEEK复合膜的制备'>3.2.1 BMIMPF₆/SPEEK复合膜的制备
• 3.2.1.1 PEEK的磺化及SPEEK磺化度的测定
• 6/SPEEK复合膜的制备'>3.2.1.2 BMIMPF₆/SPEEK复合膜的制备
• 3.2.2 SPEEK的热失重分析
• 6/SPEEK复合膜电导率的测定'>3.2.3 BMIMPF₆/SPEEK复合膜电导率的测定
• 6/SPEEK复合膜机械性能的测定'>3.2.4 BMIMPF₆/SPEEK复合膜机械性能的测定
• 6/SPEEK复合膜的改性研究'>3.2.5 BMIMPF₆/SPEEK复合膜的改性研究
• 6/SPEEK复合膜电导率的改善'>3.2.5.1 TFMSA对BMIMPF₆/SPEEK复合膜电导率的改善
• 2-P₂O₅对BMIMPF₆/SPEEK复合膜电导率的改善'>3.2.5.2 多孔物质SiO₂-P₂O₅对BMIMPF₆/SPEEK复合膜电导率的改善
• 6/SPEEK复合膜机械性能改善'>3.2.5.3 交联剂乙二醇及甘油对BMIMPF₆/SPEEK复合膜机械性能改善
• 6在高温加湿条件下流失测定'>3.2.6 BMIMPF₆在高温加湿条件下流失测定
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 SPEEK的磺化度与磺化温度以及磺化时间的关系
• 3.3.2 SPEEK交联的红外光谱分析
• 3.3.3 SPEEK的热失重分析
• 6/SPEEK复合膜电导率与活化能'>3.3.4 BMIMPF₆/SPEEK复合膜电导率与活化能
• 6的含量对BMIMPF₆/SPEEK电导率的影响'>3.3.4.1 BMIMPF₆的含量对BMIMPF₆/SPEEK电导率的影响
• 6/SPEEK电导率的影响'>3.3.4.2 SPEEK的磺化度对BMIMPF₆/SPEEK电导率的影响
• 3.3.4.3 TFMSA对BMIMPF6/SPEEK电导率的改善
• 2-P₂O₅对BMIMPF₆/SPEEK电导率的改善'>3.3.4.4 多孔物质SiO₂-P₂O₅对BMIMPF₆/SPEEK电导率的改善
• 6/SPEEK电导率的影响'>3.3.4.5 交联剂乙二醇及甘油对BMIMPF₆/SPEEK电导率的影响
• 6/SPEEK复合膜的机械性能'>3.3.5 BMIMPF₆/SPEEK复合膜的机械性能
• 6含量对BMIMPF₆/SPEEK复合膜机械性能的影响'>3.3.5.1 BMIMPF₆含量对BMIMPF₆/SPEEK复合膜机械性能的影响
• 6/SPEEK复合膜的机械性能'>3.3.5.2 不同磺化度的BMIMPF₆/SPEEK复合膜的机械性能
• 2-P₂O₅对BMIMPF₆/SPEEK复合膜机械性能影响'>3.3.5.3 多孔物质SiO₂-P₂O₅对BMIMPF₆/SPEEK复合膜机械性能影响
• 6/SPEEK复合膜机械性能的改善'>3.3.5.4 交联剂对BMIMPF₆/SPEEK复合膜机械性能的改善
• 6/SPEEK复合膜在高温下BMIMPF₆流失测定'>3.3.6 BMIMPF₆/SPEEK复合膜在高温下BMIMPF₆流失测定
• 3.4 小结
• 6/PVDF复合膜制备与性能表征'>第4章 BMIMPF₆/PVDF复合膜制备与性能表征
• 4.1 实验原料、设备及分析仪器
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 实验及分析仪器
• 4.2 实验部分
• 6/PVDF复合膜的制备'>4.2.1 BMIMPF₆/PVDF复合膜的制备
• 6/PVDF复合膜电导率的测定'>4.2.2 BMIMPF₆/PVDF复合膜电导率的测定
• 6/PVDF复合膜机械性能的测定'>4.2.3 BMIMPF₆/PVDF复合膜机械性能的测定
• 4.3 实验结果与讨论
• 6/PVDF复合膜的电导率'>4.3.1 BMIMPF₆/PVDF复合膜的电导率
• 6/PVDF复合膜机械性能'>4.3.2 BMIMPF₆/PVDF复合膜机械性能
• 4.4 小结
• 6/Nafion复合膜性质初探'>第5章 BMIMPF₆/Nafion复合膜性质初探
• 6/Nafion复合膜'>5.1 浸泡法制备BMIMPF₆/Nafion复合膜
• 6/Nafion复合膜性质检测'>5.2 BMIMPF₆/Nafion复合膜性质检测
• 6/Nafion复合膜质量及体积变化'>5.2.1 BMIMPF₆/Nafion复合膜质量及体积变化
• 6/Nafion复合膜电导率的测定'>5.2.2 BMIMPF₆/Nafion复合膜电导率的测定
• 5.3 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文情况