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用于直接甲醇燃料电池的新型磺化聚芳醚酮质子交换膜材料的制备与性能研究

2020-12-11阅读(619)

用于直接甲醇燃料电池的新型磺化聚芳醚酮质子交换膜材料的制备与性能研究

论文摘要

本论文从分子设计出发合成了一系列不同磺化度的侧链含有羧基的磺化聚芳醚酮（C-SPAEKs）。通过性能测试发现：该类磺化聚合物在较高的磺化度下具有较高的质子传导率,但是高的吸水率以及较差的阻醇性能限制了其在直接甲醇燃料电池领域的应用。为了降低膜的吸水率、提高膜的阻醇性能,我们利用聚合物中羧基的活性对C-SPAEKs进行了如下改性：1)通过羧基与邻苯二胺的反应将苯并咪唑基团引入到磺化聚合物体系中,利用碱性的苯并咪唑基团与酸性的磺酸基之间的相互作用,来降低膜的吸水率,提高膜的尺寸稳定性；2)通过羧基与电子云密度较大的苯环在加热条件下发生酰基化反应,合成了一系列具有较高磺化度的自交联型质子交换膜材料,交联网络的引入不但降低了膜的吸水率,还显著地提高了膜的尺寸稳定性以及阻醇能力；3)合成了一种大分子交联剂“六氟双酚A型环氧酚醛树脂”,通过羧酸盐与环氧基团在加热条件下的固化开环反应,制备了一系列具有不同交联程度的质子交换膜材料,这种交联方法能够提高膜的交联度,从而最大程度地降低膜的吸水率,抑制膜的溶胀。最后,我们合成了一系列具有不同离子交换容量（IEC）的侧链型磺化聚芳醚酮。通过性能测试我们发现,在具有相似IEC的前提下,本文中的侧链型磺化聚芳醚酮与传统的主链型磺化聚芳醚酮相比表现出较低的吸水率和较好的尺寸稳定性,同时其质子传导率也要高于后者,表现出更好的应用前景。

论文目录

  • 内容提要
  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 引言
  • 1.1 燃料电池
  • 1.1.1 燃料电池概述
  • 1.1.2 燃料电池的工作原理
  • 1.1.3 燃料电池的特点
  • 1.1.4 燃料电池的分类
  • 1.2 直接甲醇燃料电池（DMFC）
  • 1.3 质子交换膜（PEM）
  • 1.3.1 全氟磺酸膜
  • 1.3.2 非氟膜材料
  • 1.4 质子交换膜材料的改性
  • 1.4.1 酸碱复合
  • 1.4.2 交联
  • 1.4.3 表面修饰
  • 1.4.4 侧链磺化
  • 1.5 本论文设计思想
  • 参考文献
  • 第二章 实验试剂与测试仪器
  • 2.1 原料和试剂
  • 2.2 测试及表征方法
  • 第三章 侧链上含有羧基的磺化聚芳醚酮质子交换膜材料的制备及性能研究
  • 引言
  • 3.1 侧链上含有羧基的磺化聚芳醚酮合成及表征
  • 3.2 聚合物的性能测试
  • 3.2.1 C-SPAEKs的粘度及机械性能
  • 3.2.2 C-SPAEKs的热稳定性能
  • 3.2.3 C-SPAEKs的磺化度,离子交换容量和吸水率
  • 3.2.4 C-SPAEKs的质子传导率和甲醇渗透率
  • 3.2.5 C-SPAEK-4的微观结构
  • 3.3 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 含有苯并咪唑基团的磺化聚醚醚酮质子交换膜材料的制备及性能研究
  • 引言
  • 4.1 含有苯并咪唑基团的磺化聚醚醚酮的合成与表征
  • 4.2 含有苯并咪唑基团的磺化聚醚醚酮的性能研究
  • 4.2.1 BI-SPEEKs的热稳定性
  • 4.2.2 BI-SPEEKs的机械性能
  • 4.2.3 BI-SPEEKs膜的IEC和吸水率
  • 4.2.4 BI-SPEEKs膜的抗氧化稳定性能研究
  • 4.2.5 BI-SPEEKs的质子传导率与甲醇渗透率
  • 4.2.6 膜的微观相结构分析
  • 4.3 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 自交联型质子交换膜的制备及性能研究
  • 引言
  • 5.1 高磺化度的含羧基的磺化聚芳醚酮的制备
  • 5.2 自交联型磺化聚芳醚酮质子交换膜的制备及表征
  • 5.3 交联膜的性能研究
  • 5.3.1 交联膜的溶解性和机械性能研究
  • 5.3.2 交联膜的热稳定性能研究
  • 5.3.3 交联膜的密度、IEC,吸水率和溶胀率
  • 5.3.4 交联前后膜的质子传导性能研究
  • 5.3.5 交联膜的阻醇性能及选择性能研究
  • 5.3.6 交联膜的微观相结构研究
  • 5.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 C-SPAEK/环氧酚醛树脂交联膜的制备及性能研究
  • 引言
  • 6.1 六氟双酚A型环氧酚醛树脂的合成及表征
  • 6.2 C-SPAEK/HFANER交联膜的制备
  • 6.3 Cr-SPAEK-xx的性能研究
  • 6.3.1 Cr-SPAEK-xx的溶解性
  • 6.3.2 Cr-SPAEK-xx的热稳定性和机械性能
  • 6.3.3 Cr-SPAEK-xx的IEC,吸水率和溶胀率
  • 6.3.4 Cr-SPAEK-xx的质子传导性能
  • 6.3.5 Cr-SPAEK-xx的阻醇性及选择性能
  • 6.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 侧链型磺化聚芳醚酮质子交换膜材料的制备与性能研究
  • 引言
  • 7.1 双酚单体合成与表征
  • 7.1.1 4-甲氧基苯基对苯醌的合成及表征
  • 7.1.2 4-甲氧基苯基对苯二酚的合成及表征
  • 7.1.3 2,5-二甲氧基苯基对苯醌的合成及表征
  • 7.1.4 2,5-二甲氧基苯基对苯二酚的合成及表征
  • 7.2 聚合物的合成与表征
  • 7.2.1 侧链上含甲氧基的聚芳醚酮的合成与表征
  • 7.2.2 侧链上含羟基的聚芳醚酮的合成与表征
  • 7.2.3 侧链上含磺酸基的聚芳醚酮的合成与表征
  • 7.3 聚合物的性能测试
  • 7.3.1 聚合物的热稳定性能和机械性能研究
  • 7.3.2 侧链型磺化聚合物的IEC,吸水率和溶胀率
  • 7.3.3 侧链型磺化聚合物的质子传导性能和阻醇性能研究
  • 7.3.4 侧链型磺化聚合物的微观结构
  • 7.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第八章 结论
  • 致谢
  • 作者简历
  • 攻读学位期间发表的学术论文

    • 相关论文文献

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