燃料电池用磺化聚芳硫醚砜质子交换膜的改性研究

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质子交换膜(Proton exchange membrane,PEM)作为质子交换膜燃料电池的核心部分,具有提供离子通道传递H+和隔绝两极物质的双重作用,PEM性能的好坏直接影响着电池性能的优劣。磺化聚芳硫醚砜(Sulfonated polyaryl sulfide sulfone,SPTES)作为一种新型的PEM材料,具有质子交换容量(Proton exchange capacity,IEC)高,质子电导率高,热稳定性好等优点,但在高湿度下或水中极易溶胀。而六元环的聚酰亚胺(Polyimide,PI)在水中具有优异的尺寸稳定性,本论文合成了SPTES,并对SPTES分别进行PI嵌段改性和不同的磺化聚酰亚胺(Sulfonated polyimide,SPI)共混改性。第一,合成主链含有亲水段与疏水段的嵌段芳香族共聚物,形成高效的质子传导通道。本章通过逐步缩聚合成了带有氨端基的磺化聚芳硫醚砜(SPTES-NH2)亲水段以及酸酐封端的PI疏水段。嵌段聚合物SPTES-b-PI通过不同分子量的SPTES-NH2与不同分子量的PI的酰亚胺化偶联反应来合成,制备出了不同嵌段长度的SPTESx-b-PIy(x=5,10 kg/mol;y=5,10,15,20 kg/mol)。SPTES10-b-PIy膜显示出优异的热稳定性;与SPTES-100和SPTES-70相比具有更低的吸水率,更好的尺寸稳定性,SPTES10-b-PIy的质子传导率均高于PEM的最低要求(10 mS/cm)。第二,首先合成三乙胺盐形式的SPTES(SPTES-TEA)。接着以1,4,5,8-萘四羧酸二酐与不同的二胺单体2,2’-双磺酸联苯胺(BDSA)和4,4’-二氨基二苯醚(ODA)反应合成了两种磺化聚酰亚胺(SPI-BDSA,SPI-ODA);采用溶液浇铸法制备了两类具有不同SPI比重的磺化聚芳硫醚砜/磺化聚酰亚胺(SPTES/SPI-BDSA,SPTES/SPI-ODA)共混质子交换膜。SEM结果表明两种聚合物,尤其是SPTES/SPI-BDSA膜具有良好的相容性。并对共混膜进行各项性能测试,共混膜的吸水率、溶胀率降低,共混膜显示出比SPTES-70更高的尺寸稳定性,其中SPTES/SPI-ODA共混膜的效果更好。共混膜的质子传导率远高于PEM的最低要求(>10 mS/cm),与同等条件下的SPTES-70具有相近的质子传导率。
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