PVDF聚合物电解质膜电化学氢气传感器的研制

论文摘要

电化学气体传感器由于具有检测气体种类多、浓度范围宽、体积小、价格低、测量精度高、可用于现场直接检测等优点,在环境监测与安全生产等领域中得到广泛应用。但这类传感器也存在着一定的问题,即使用寿命较短。为了解决这个问题,同时也为适应一些特殊行业对气体传感器体积的要求,人们将研究重点集中到固体电解质上,希望能延长传感器的使用寿命并实现其微型化。目前,利用固体高聚物电解质（SPE）研制电化学传感器已成为电化学气体传感器研究的国际热点。本文以具有优良物理化学性质的聚偏氟乙烯（PVDF）为膜材料,采用流延法制备SPE。为避免加入固体无机物产生颗粒团聚,采用向PVDF中掺杂液体SiCl4和H3PO4无机保水材料提高膜的保水性和导电性。通过研究掺杂物加入量、制膜烘干温度和保温时间对膜性能的影响,摸索出性能良好聚合物膜的制备条件:烘干温度70oC,保温时间2h。用X-射线衍射、红外光谱分析法、扫描电镜等分析PVDF质子交换膜结构及形貌特征,结果表明掺杂的无机物在PVDF晶体内形成均匀贯穿的质子传导通道。制备的聚合物膜保水性和电导率均高于Nafion117,膜的机械性能良好,从制膜成本、膜的导电性、膜的机械性能和膜的保水性等综合性能考虑,这种新型PVDF质子交换膜极有可能成为Nafion膜的优良替代膜。选取电导率高(SiCl4掺入量为20%,H3PO4掺入量为30%,室温电导率0.0277S·cm-1)、综合性能良好的聚合物膜作为传感器的电解质,组装室温全固态电化学H2传感器。通过实验确定工作条件后,对传感器的性能进行测试。以铂为催化剂,采用气体扩散电极,在恒电位0.1V下,流速为238ml/min,氢气浓度在14-508ppm的范围内能保持非常好的线性关系,传感器的响应时间和回复时间分别为42s和65s,传感器性能稳定,灵敏度高和重现性良好,为研制出小型化、长寿命的传感器开拓了一条可行之路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 PVDF 质子交换膜简介
• 1.1.1 PVDF 的简介
• 1.1.2 PVDF 膜的改性方法及其国内外研究进展
• 1.2 展望
• 1.3 电化学气体传感器简介
• 1.3.1 电化学气体传感器分类
• 1.3.2 电化学气体传感器工作原理
• 1.3.3 电化学气体传感器的性能指标
• 1.4 质子交换膜电化学气体传感器的研究现状
• 1.5 全固态气体传感器对固体聚合物电解质膜的要求
• 1.6 氢气传感器存在的问题
• 1.7 选题意义及主要研究内容
• 1.7.1 选题意义
• 1.7.2 本课题主要研究内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验原料及分析仪器
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器及设备
• 2.2 实验过程（Ⅰ）
• 2.2.1 聚合物质子交换膜（PVDF 膜）的制备
• 2.2.2 PVDF 膜电导率的测定
• 2.2.3 相对湿度对PVDF 膜电导率的影响
• 2.2.4 相对湿度对PVDF 膜含水量的影响
• 2.2.5 X-射线衍射分析
• 2.2.6 PVDF 膜红外光谱分析
• 2.2.7 PVDF 膜表面及截面形貌研究
• 2.2.8 PVDF 膜力学性能测试
• 2.3 实验过程（Ⅱ）
• 2.3.1 电极的制备
• 2传感器结构选择'>2.3.2 H₂传感器结构选择
• 2传感器配气装置'>2.3.3 H₂传感器配气装置
• 2传感器工作条件的选择'>2.3.4 H₂传感器工作条件的选择
• 2传感器性能测试'>2.3.5 H₂传感器性能测试
• 3 结果与讨论
• 3.1 结果与讨论（Ⅰ）
• 3.1.1 实验条件对聚合物质子交换膜电导率的影响
• 3.1.2 相对湿度对PVDF 膜电导率的影响
• 3.1.3 不同相对湿度下含水量的测定
• 3.1.4 X-射线衍射分析
• 3.1.5 PVDF 膜红外光谱分析
• 3.1.6 PVDF 膜表面及截面形貌研究
• 3.1.7 PVDF 膜力学性能的测试
• 3.2 结果与讨论（Ⅱ）
• 3.2.1 气体流速的确定
• 3.2.2 控制电位的选择
• 3.2.3 传感器浓度与响应电流关系
• 3.2.4 传感器的响应回复特性
• 3.2.5 相对湿度对传感器响应信号的影响
• 3.2.6 传感器的稳定性测试
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢