聚苯并咪唑基复合质子交换膜的制备与表征

论文摘要

质子交换膜（PEM）是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键材料之一,起着阻隔阴阳极物料,传输质子等重要作用。目前质子交换膜燃料电池中所普遍采用的全氟磺酸膜（如Nafion膜）存在甲醇渗透率高,在高温下质子传导率差等缺点,限制了其商业化进程。针对这两个主要问题,本文以聚苯并咪唑作为基体对其进行化学改性,分别制备了酸碱共混膜和微孔聚四氟乙烯（PTFE）复合膜。酸碱共混膜是通过聚合物中酸碱基团之间的离子键在膜内形成交联的网状结构,可以提高膜的阻醇性能和尺寸稳定性,用于DMFC。微孔聚四氟乙烯复合膜是将聚苯并咪唑固定在聚四氟乙烯的微孔中,以保证膜在磷酸掺杂水平较高时能够保持较高的机械强度和尺寸稳定性,用于高温质子交换膜燃料电池。按照以上研究思路,本文主要研究内容如下：1、合成了3,3’,4,4’-四氨基二苯醚,其分子结构得到了1H-NMR谱、傅里叶红外光谱图的证实。采用直接溶液缩聚法将3,3’,4,4’-四氨基二苯醚、5-磺酸基间苯二甲酸钠和间苯二甲酸在多聚磷酸中聚合,制备了一系列不同磺化度的聚苯并咪唑。聚合物结构得到FTIR光谱的确认。研究表明,磺酸基的引入提高了聚合物的溶解性,所制备的聚苯并咪唑具有较好的热稳定性和耐氧化性,具有潜在应用前景。2、以磺化聚苯并咪唑（SPBI）与高磺化度聚醚砜（ABPS）两种聚合物为原料,采用溶液共混的方法,制备了系列酸碱复合质子交换膜。研究了复合膜的甲醇溶胀性、吸水率、甲醇渗透系数、质子传导率随SPBI含量的变化规律。研究表明,随着SPBI含量的增加,膜的阻醇性能和尺寸稳定性明显提高；同时,复合膜具有较好的质子传导率,有望应用于直接甲醇燃料电池。3、以氨-双氧水液相催化氧化法对微孔PTFE进行亲水改性,再用磺化聚苯并咪唑与改性的微孔PTFE复合,再用磷酸掺杂,制得磷酸掺杂SPBI/PTFE复合质子交换膜。研究了PTFE亲水改性化学反应的影响因素、复合膜的制备工艺、复合膜的结构。考察了复合膜的尺寸稳定性、耐氧化性能、热稳定性、机械强度和质子传导率等性能。研究结果表明：复合后,PTFE基底膜的微孔填堵充分,SPBI树脂在复合膜内分布均匀；磷酸掺杂后复合膜在高温下具有良好的质子电导率、尺寸稳定性和机械强度,有望用于高温质子交换膜燃料电池。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池
• 1.2.1 燃料电池的概况
• 1.2.2 燃料电池的分类
• 1.2.3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
• 1.3 质子交换膜（Proton exchange membrane,PEM）
• 1.3.1 质子交换膜简介
• 1.3.2 质子交换膜的发展历史及现状
• 1.3.3 现有质子交换膜的缺点
• 1.4 全氟磺酸膜的改性
• 1.4.1 增强改性质子交换膜
• 1.4.2 高温改性质子交换膜
• 1.4.3 阻醇改性质子交换膜
• 1.5 新型质子交换膜
• 1.5.1 部分氟化质子交换膜
• 1.5.2 非氟质子交换膜
• 1.5.3 复合质子交换膜
• 1.6 聚苯并咪唑基质子交换膜
• 1.6.1 聚苯并咪唑的合成方法
• 1.6.2 聚苯并咪唑的改性研究
• 1.6.3 聚苯并咪唑基质子交换膜
• 第二章 研究目的、内容及方案
• 2.1 研究目的
• 2.2 研究内容
• 2.3 研究方案
• 第三章 磺化聚苯并咪唑的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品及仪器
• 3.3 3,3’,4,4’-四氨基二苯醚的制备与表征
• 3.3.1 实验原理及步骤
• 3.3.2 实验测试方法
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.4 磺化聚苯并咪唑（SPBI）的制备与表征
• 3.4.1 实验原理及步骤
• 3.4.2 实验测试方法
• 3.4.3 结果与讨论
• 3.5 小结
• 第四章 磺化聚醚砜/聚苯并咪唑复合膜的制备与表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验药品与仪器
• 4.3 磺化聚醚砜膜的制备与表征
• 4.3.1 实验原理与步骤
• 4.3.2 实验测试方法
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.4 聚苯并咪唑/磺化聚醚砜复合膜的制备与表征
• 4.4.1 实验原理与步骤
• 4.4.2 实验测试方法
• 4.4.3 结果与讨论
• 4.5 小结
• 第五章 SPBI/微孔PTFE复合膜的制备与表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验药品与仪器
• 5.3 PTFE微孔膜的改性处理及结构表征
• 5.3.1 实验原理与步骤
• 5.3.2 实验测试方法
• 5.3.3 结果与讨论
• 5.4 聚苯并咪唑/PTFE复合膜的制备与表征
• 5.4.1 实验原理与步骤
• 5.4.2 实验测试方法
• 5.4.3 结果与讨论
• 5.5 小结
• 第六章 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