磺化聚芳醚酮砜/MOFs复合型质子交换膜的制备与性能研究

来源 :长春工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:NickFlanders
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人类文明的进步离不开对现有能源的消耗以及地球资源的开发。目前,传统化石能源的消耗殆尽、新型能源产能不足、成本过高以及使用条件过于苛刻的矛盾日益突出,能源问题成为了社会发展的阻碍。因此,一种可再生、清洁、高效的新能源的开发与应用就成为了全世界工业界与学术界的焦点。氢能作为一种新兴的清洁能源,以其“取之不尽,用之不竭”的特点,走入了大家的视野中。燃料电池是一种利用氢能的新能源技术,而聚合物电解质膜(PEMs)则是这项技术的核心,具有传递离子以及隔绝燃料和氧化剂的作用。目前,非氟芳香类质子交换膜的优良性能,使得它已成为最有发展潜力的可替代质子交换膜材料。磺化聚芳醚酮砜类膜材料被认为是最有希望的新型膜材料之一,其本身具有优良的物理机械性能和热稳定性。但在中高温条件下,高IEC磺化芳香型PEMs的力学性能较差,极度溶胀,这将直接导致不可接受的低维稳定性。因此,恰当的改性和修饰磺化聚芳醚酮砜类膜材料,对提高整体性能非常重要。MOF是近年来研究较多的一种金属-有机物,一般这类化合物都具有较大的比表面积、孔结构和优异的物理化学性能。本论文制备了一种四元聚合物SPAEK-6F,然后合成了两种不同的MOF粒子:ZIF-67和UIO-66-NH2,通过超声及物理混合的方式制备了两组复合膜并对其进行表征,包括FTIR、XRD、SEM、TG、IEC、吸水溶胀率、机械性能及质子传导率。第三章中制备了ZIF-67粒子,制作方法简便,将ZIF-67与SPAEK-6F复合得到了具有较好热力学和化学稳定性,没有出现明显的相分离。复合膜中的ZIF-67和SPAEK的质量比为1:100,测试温度在90℃时,SPAEK-6F-Z1的质子传导率约为0.07S cm-1。本文第四章又选取了UIO-66-NH2粒子,研究其与聚合物复合后的性能。结果表明,当SPAEK膜的磺化度为80%,UIO-66-NH2和SPAEK的质量比为2:100时,SPAEK-6F-U2复合膜在此系列具有最优异的传导率,在90℃时质子传导率约0.118 S cm-1高于纯SPAEK膜的0.061S cm-1。且此系列复合膜具有较好的机械性能,SPAEK-6F-U1的断裂伸长率达到了89.63%;同时,复合膜均的溶胀率都较低(<12%)并且具有极高的氧化稳定性(>97%)。
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