新型高溫聚苯并咪唑(PBI)類質(zhì)子交換膜的制備及其表征.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是具有能量效率高、安靜和環(huán)保特性的新型電力動(dòng)力源，質(zhì)子交換膜(PEM)是PEMFC的核心部件，它具有隔離陰陽(yáng)兩電極燃料、傳遞質(zhì)子和絕緣電子的作用，是PEMFC研究的核心。目前，已商業(yè)化的質(zhì)子交換膜是美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Nafion系列全氟磺酸膜，它因合成成本高、質(zhì)子傳遞依賴于水的存在等缺點(diǎn)，限制了它在燃料電池領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。而磷酸摻雜聚苯并咪唑(PBI)膜在高溫下具有優(yōu)良的熱化學(xué)穩(wěn)定性、良好的力學(xué)性能和在

2、高溫低濕條件下具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，價(jià)格一般為Nafion膜的10％，具有在中高溫燃料電池領(lǐng)域規(guī)模化使用的潛力。
　　 本文從合成新型聚苯并咪唑的芳香四胺單體出發(fā)，采用溶液縮聚法，將芳香四胺與二元羧酸和三元羧酸等反應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)二元酸與三元酸的投料比，制備了未曾報(bào)道過(guò)的PBI類聚合物，并進(jìn)行了成膜研究及燃料電池性能測(cè)試。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　 1、選擇4，4’-二氨基二苯醚(DADPE)為合成3，3’，4，4’-四氨基

3、二苯醚(TADPE)的起始原料，主要通過(guò)乙?；磻?yīng)（氨基保護(hù)）、硝化反應(yīng)、酸水解反應(yīng)、還原反應(yīng)和中和反應(yīng)等五步反應(yīng)制得。為提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率，對(duì)還原反應(yīng)的條件進(jìn)行了優(yōu)化:采用SnCl2+HCl還原體系，n（硝基物）:n(SnCl2)=1∶12，80℃，6h，總產(chǎn)率高達(dá)75.1％。其結(jié)構(gòu)通過(guò)傅里葉紅外光譜圖、核磁氫譜譜圖證實(shí)。
　　 2、采用溶液縮聚法，將TADPE與2，5-吡啶二甲酸(2，5-PDA)，2，6-吡啶二甲酸(2，6

4、-PDA)、均苯三酸(TMA)作為聚合單體，其中TMA也充當(dāng)交聯(lián)劑，以多聚磷酸(PPA)為溶劑，氮?dú)夥諊拢瑱C(jī)械攪拌，采用程序升溫法，制備了未曾報(bào)道過(guò)的新型2，5-pPBI-TMA-X(X=0，2.5，5.0，7.5，10)和2，6-pPBI-TMA-X(X=0，2.5，5.0，7.5，10)聚合物。對(duì)聚合條件進(jìn)行優(yōu)化:室溫30min,50℃2h,100℃3h,130℃4h,160℃5h,190℃10h。聚合物的結(jié)構(gòu)通過(guò)傅里葉紅外光譜得

5、到確認(rèn)。并對(duì)其進(jìn)行了黏度、溶解性和熱穩(wěn)定性等表征。研究表明醚鏈的引入增強(qiáng)了聚合物的溶解性，且2，6-pPBI-TMA-X(X=0，2.5)相對(duì)2，5-pPBI-TMA-X(X=0，2.5)溶解性較好。
　　 3、對(duì)所合成的聚合物進(jìn)行加工性研究。本文主要采用溶液流延成膜法成膜，成功制備了未曾報(bào)道過(guò)的2，6-pPBI膜和2，6-pPBI-TMA-2.5膜（交聯(lián)膜），并對(duì)其進(jìn)行不同濃度的磷酸摻雜，測(cè)試其磷酸摻雜率、溶脹率、機(jī)械性能、抗

6、氧化性和形貌等。測(cè)試表明:2，6-pPBI-TMA-2.5膜相對(duì)2，6-pPBI膜在高溫下具有更高的質(zhì)子傳導(dǎo)率、良好的機(jī)械性能和良好的抗氧化性。2，6-pPBI-TMA-2.5膜的最大儲(chǔ)存模量為2.068GPa，而2，6-pPBI膜的最大儲(chǔ)存模量為1.352GPa，說(shuō)明交聯(lián)膜具有相對(duì)好的機(jī)械性能;2，6-pPBI-TMA-2.5膜在80％PA，170℃條件下質(zhì)子傳導(dǎo)率為0.053S·cm-1，能應(yīng)用于中高溫燃料電池，具有潛在的應(yīng)用前景。