基于壳聚糖的质子交换膜制备及性能测试

论文摘要

壳聚糖作为一种天然的碱性聚合物材料,近年来已成为质子交换膜研究领域中的热点。纯壳聚糖干膜在室温下的质子传导率极低,相当于绝缘材料。为此,本文对壳聚糖进行质子酸掺杂、离子液体掺杂等改性处理,使其成为质子导体。实验探索了壳聚糖膜的制备方法。制备了硫酸-壳聚糖、磷酸-壳聚糖、草酸-壳聚糖、氨基三甲叉磷酸（ATMP）-壳聚糖四种质子酸-壳聚糖复合膜。质子酸的掺杂使质子电导率得到提高,然而复合膜的机械性能较掺杂前有所下降。室温下,掺杂硫酸、草酸、ATMP的壳聚糖膜的拉伸强度分别由纯膜的71.58 MPa降低至27.11 MPa、63.05 MPa、8.51 MPa。ATMP含量为34.78%的壳聚糖复合膜在相同条件下电导率提高最大,30℃无水条件下,其电导率为3.08×10-5 S·cm-1；当温度为140℃时,该复合膜的电导率达1.55×10-3S·cm-1。制备了1-丁基,3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BMIMPF6）、氯代1-丁基,3-甲基咪唑盐（BMIMCl）、三氟乙酸丙胺盐（TFAPA）三种离子液体与壳聚糖的复合膜。离子液体的掺杂使壳聚糖膜的质子电导率得到了显著的提高,但膜的机械性能由71.58MPa下降至36.89 MPa以下。其中,BMIMCl-壳聚糖（摩尔比1:1）复合膜的电导率最高,50℃时其干膜的电导率为1.05×10-4 S·cm-1,当温度达到240℃时,其电导率增至1.19×10-2S·cm-1。本实验还对硫酸、草酸、氨基三甲叉磷酸、BMIMCl、TFAPA几种物质与壳聚糖的复合膜进行了红外分析、热失重分析及机械强度测定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 序言
• 1.2 质子交换膜燃料电池概述
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池原理
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池应用前景
• 1.3 高温质子交换膜材料的研究意义
• 1.4 壳聚糖质子交换膜研究进展
• 1.4.1 天然壳聚糖
• 1.4.2 化学改性质子膜
• 1.4.3 壳聚糖酸-碱共混聚合物膜
• 1.4.4 质子酸-壳聚糖复合质子膜
• 1.4.5 无机物掺杂壳聚糖质子膜
• 第2章 成膜主体壳聚糖的性质
• 2.1 壳聚糖的结构特点
• 2.2 壳聚糖的理化性质
• 2.2.1 对酸的吸附及盐的形成
• 2.2.2 酯化反应
• 2.2.3 含氧无机酸酯化反应
• 2.2.4 交联
• 2.2.5 壳聚糖的溶剂
• 第3章 壳聚糖膜的制备
• 3.1 实验仪器及药品
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验及分析仪器
• 3.2 壳聚糖膜的制备及表征
• 3.2.1 膜材料的选择
• 3.2.2 膜制备方法
• 3.2.3 壳聚糖膜的拉伸强度测定
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 制膜方法
• 3.3.2 壳聚糖膜的机械性能
• 3.4 小结
• 第4章 壳聚糖膜的质子功能化
• 4.1 质子酸-壳聚糖复合膜
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 实验及分析仪器
• 4.1.3 质子酸-壳聚糖膜的制备
• 4.1.4 质子酸-壳聚糖复合膜的物化性能测定
• 4.1.5 结果及讨论
• 4.2 离子液体-壳聚糖复合膜
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验及分析仪器
• 4.2.3 离子液体的合成
• 4.2.4 离子液体的性能表征
• 4.2.5 离子液体-壳聚糖膜的制备
• 4.2.6 离子液体-壳聚糖膜物化性能测定
• 4.2.7 结果与讨论
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢