堿性膜燃料電池用聚膦腈電解質(zhì)膜的制備及其性能研究.pdf

1、燃料電池是一種環(huán)境友好型能源，其中，堿性膜燃料電池除了具有燃料電池通有的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有成本低和可在低溫條件下快速啟動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，是最有前景的燃料電池技術(shù)之一;堿性膜做為堿性膜燃料電池核心部件之一，其性能好壞直接影響整個(gè)燃料電池的電池性能，但是它現(xiàn)階段面臨的難題是難加工、不易制各和壽命短等。在系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外堿性膜研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，本文選取成膜性好和化學(xué)穩(wěn)定性好的聚膦腈為基本骨架，設(shè)計(jì)制備了季鱗化聚膦腈堿性膜、季鱗化聚膦腈/聚乙烯醇(PVA)

2、復(fù)合堿性膜和咪唑鎓離子化聚膦腈/PVA復(fù)合堿性膜等三系列聚膦腈堿性膜，且研究了所制備的堿性膜的相關(guān)電化學(xué)性能。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、乓粤拳h(huán)三磷腈為起始原料，通過(guò)溶液聚合法制備聚二氯磷腈，接枝對(duì)甲基苯氧基，得到聚對(duì)甲基苯氧基膦腈(P4MPP)，溴化，接枝自制的三（2，4，6-三甲氧基苯基）膦(TMPP)等五步反應(yīng)得到季鱗化聚對(duì)甲基苯氧基膦腈(P4MPP-QPBr)，堿化，最后得到堿化季鱗化聚對(duì)甲基苯氧基膦腈(P4MPP-QP

3、OH)堿性膜。對(duì)所制備的P4MPP、TMPP、P4MPP-QPBr和P4MPP-QPOH進(jìn)行FT-IR、1H NMR、GPC和TGA測(cè)試，并對(duì)P4MPP-QPOH膜進(jìn)行了水吸收、溶脹率、離子交換能力、離子傳導(dǎo)率和耐堿性等相關(guān)的電化學(xué)性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，P4MPP-QPBr的分子量達(dá)到105數(shù)量級(jí);P4MPP和P4MPP-QPOH均具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，其初步熱降解溫度分別是400℃和200℃; P4MPP-QPOH膜的離子交換能力是0

4、.198 mmol·g-1; P4MPP-QPOH膜的離子傳導(dǎo)率隨溫度的升高呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，30℃的離子傳導(dǎo)率為7.21 mS·cm-1，80℃時(shí)P4MPP-QPOH膜的離子傳導(dǎo)率升至10.82 mS·cm-1;P4MPP-QPOH膜在60℃的4 mol·L-1KOH溶液中浸泡42 h后，其在30℃的離子傳導(dǎo)率變化不大，顯示出良好的耐堿性。
　?、茖4MPP-QPBr與PVA按不同質(zhì)量比共混，制備了堿化季鱗化聚膦腈/PVA復(fù)合膜

5、(P4MPP-QPOH/PVA)，并對(duì)其進(jìn)行了ATR-IR、TGA、吸水率、溶脹率、離子交換能力和離子傳導(dǎo)率等測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，P4MPP-QPOH/PVA復(fù)合膜的熱分解溫度是200℃，其具有良好的熱穩(wěn)定性;P4MPP-QPOH/PVA復(fù)合膜的吸水率和溶脹率均高于P4MPP-QPOH膜;在30～70℃溫度范圍內(nèi)，復(fù)合膜的離子傳導(dǎo)率均高于P4MPP-QPOH膜，共混比例為1∶0.07(P4MPP-QPBr∶PVA)的P4MPP-QPOH

6、/PVA復(fù)合膜80℃時(shí)的離子傳導(dǎo)率比P4MPP-QPOH膜高。P4MPP-QPOH/PVA復(fù)合膜的最佳共混比例是1∶0.07。
　?、窃谌芤壕酆戏ㄖ苽渚鄱攘纂娴幕A(chǔ)上，接枝1-甲基咪唑，合成咪唑鎓離子化聚膦腈(PMImPCl)，將所制備的PMImPCl與PVA按不同質(zhì)量比共混成膜后與戊二醛交聯(lián)，制備了咪唑鎓離子化聚膦腈/PVA（PMImPOH/PVA）復(fù)合堿性膜。對(duì)所制備的PMImPCl進(jìn)行FT-IR、1HNMR、GPC和TGA

7、測(cè)試，并對(duì)PMImPOH/PVA復(fù)合膜進(jìn)行了ATR-IR、TGA、水吸收、溶脹率、離子交換能力和離子傳導(dǎo)率等測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PMImPCl的分子量達(dá)到105數(shù)量級(jí);PMImPCl和PMImPOH/PVA復(fù)合膜的初步熱降解溫度是200℃，均具有良好的熱穩(wěn)定性;PMImPOH/PVA復(fù)合膜的水吸收隨著PMImPCl在PMImPOH/PVA復(fù)合膜中所占比例的增加而升高，從最低的22.5％升高至130％，復(fù)合膜的溶脹率與溫度也呈現(xiàn)類(lèi)似的變化

8、，從13.5％上升至141.3％; PMImPOH/PVA復(fù)合膜的離子交換能力隨著PMImPCl所占比例的增加而增加，從最低的0.79 mmol·g-1的升高至1.56 mmol·g-1; PMImPOH/PVA復(fù)合膜的離子傳導(dǎo)率均隨著溫度的上升而增加，共混比例為5∶1(PMImPCl∶PVA)的復(fù)合膜，在80℃時(shí)的離子傳導(dǎo)率最高，達(dá)到67.5 mS·cm-1。PMImPOH/PVA復(fù)合膜的最佳共混質(zhì)量比是5∶1(PMImPCl∶PVA