Nafion/Na-X沸石复合质子交换膜的制备及性能研究

论文摘要

现今,能源和环境问题成为全球关注的焦点。质子交换膜燃料电池以能量转换效率高,燃料广泛、可再生及污染低的优点受到世界各国的青睐。质子交换膜燃料电池的核心部件是质子交换膜,目前使用最广的是美国杜邦公司生产的Nafion膜。为了提高其在高温和低湿度条件下的质子传导能力,降低甲醇渗透率,无机物改性Nafion复合质子交换膜成为研究的热点。沸石因其具有多孔,高比表面积及良好的吸水性和离子交换能力成为最具潜力的无机物填充物。在本文中,我们使用具有多孔,高比表面积及良好的吸水性和离子交换能力Na-X型对Nafion复合质子交换膜进行改性,制备出综合性能优越的复合质子交换膜。本文采用水热合成法合成了了三种具有不同铝硅比的亚微米级（200300nm）Na-X沸石,分别是低铝硅比沸石（0.75:4.25）,正常铝硅比沸石（1:4）和高铝硅比沸石（1.25:3.75）,并通过溶液重铸法制备出相应的Nafion复合膜。XRD、SEM、FT-IR、TGA-DSC、BET等分析方法分析了沸石和复合膜的性能,并对复合膜的吸水性和质子交换容量进行了测试。实验结果表明,高比表面积和亲水基数量的沸石有利于质子交换膜的吸水性和质子交换容量的提高,小的孔隙半径有利于阻止燃料的渗透。随着铝含量的增加,沸石中亲水基的数量,孔容和孔隙半径增加,比表面积减小,其中低铝硅比沸石（0.25:4.25）的比表面积达到1175.7m2·g-1,孔隙半径为1.21nm.沸石的吸水性受亲水基数量和比表面积的影响,其中正常铝硅比沸石（1:4）的亲水基数量和比表面积有良好的平衡点,因此吸水性最强,吸水率为26.72%.合成的Na-X沸石对Nafion质子交换膜均有较好的改进效果。沸石改性的Nafion膜的吸水性均高于未改性的Nafion膜,其中正常铝硅比（1:4）的沸石改性的质子交换膜的吸水率最高,达到26.45%,良好的吸水性有利于质子的传导。沸石对质子交换膜的离子交换能力也有很大的提高,一方面沸石的高比表面积增加了磺酸基和质子的接触量,另一方面沸石引入了额外的质子交换能力,高铝硅比（1.25:3.75）沸石改性的质子交换膜的质子交换能力为1.17。强度测试结果表明所有的复合质子交换膜均满足燃料电池的要求。综合以上结果推断,通过正常铝硅比1:4的沸石改性的复合质子交换膜有较好的综合性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• CHAPTER 1 INTRODUCTION
• 1.1 Background
• 1.2 Introduction of proton exchange membrane fuel cell （PEMFC）
• 1.3 The importance of proton exchange membrane （PEM）
• 1.4 Introduction of Nafion
• 1.4.1 The structure of Nafion membrane
• 1.4.2 The microcosmic structure of Nafion membrane
• 1.5 The mechanism of proton and methanol transfer in Nafion
• 1.5.1 Mechanism of proton transfer
• 1.5.2 Mechanism of methanol transfer
• 1.6 The summary of zeolite
• 1.6.1 Introduction of zeolites
• 1.6.2 The molecular sieving ability
• 1.6.3 Acidity of the zeolite
• 1.6.4 Sorption of zeolites
• 1.6.5 Ion-exchange of zeolites
• 1.7 Overview Nafion/inorganic composite membranes
• 1.8 Object and significant of the research
• CHAPTER 2 EXPERIMENTAL METHODS
• 2.1 Raw materials and equipments
• 2.2 Synthesis of zeolite and membranes
• 2.2.1 Na-X zeolite Synthesis
• 2.2.2 Membrane preparation
• 2.3 Measurement and characterization
• 2.3.1 Physical and chemical characterization
• 2.3.2 The mechanical property of the membranes
• 2.3.3 Water uptake
• 2.3.4 Ion-Exchange Capacity （IEC）
• 2.3.5 Acid strength of zeolite
• 2.3.6 Proton conductivity
• CHAPTER 3 RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1 Characterization of Na-X zeolite
• 3.1.1 XRD analysis of the Na-X zeolite
• 3.1.2 IR of Na-X zeolite
• 3.1.3 The acidity of the zeolites
• 3.1.4 Morphology of the Na-X zeolite
• 3.1.5 Zeolite BET
• 3.1.6 Thermal analysis of Zeolite
• 3.2 Characterization of composite membrane
• 3.2.1 Morphology of the membranes
• 3.2.2 XRD analysis of the Nafion/zeolite membrane
• 3.2.3 IR and ATR-IR of membranes
• 3.2.4 Thermal analysis of membranes
• 3.2.5 The water uptake of the membranes
• 3.2.6 The membranes ion-exchange capacity
• 3.2.7 The proton conductivity of the membranes
• 3.2.8 The mechanical property of the membranes
• 3.3 Summary
• CHAPTER 4 CONCLUSION AND FUTURE WORK
• 4.1 Conclusion
• 4.2 Future work
• REFERENCES