基于聚乙烯醇的交联碱性离子液体的阴离子交换膜

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社会的飞速发展推动了新的能源需求,而可再生的清洁能源是未来的发展趋势之一。燃料电池因其可以将氢气和氧气中储存的化学能转化为电能,实现清洁、高效、无污染的发电而成为相关领域研究热点。但目前已商业化的质子交换膜燃料电池需要搭载铂等贵金属催化剂,因此降低生产成本是燃料电池的重要问题。于是,碱性燃料电池的兴起逐渐成为解决这一问题的突破口。但是,与质子交换膜燃料电池中的氢离子相比,氢氧根离子的扩散系数较低,在燃料电池中的传输速率也相对较低,因而提高阴离子交换膜的离子传导率变的尤为重要。同时,阴离子交换膜燃料电池在高碱性条件下的耐碱稳定性和机械稳定性也成为其发展的桎梏。本论文报告了一种可简单高效合成交联型碱性阴离子交换膜的方法。通过采用4-吡啶甲醛的碘化物[PYBy][I]和4-(咪唑-1-基)苯甲醛的碘化物[PVMIm][I]作为离子传导基团,分别与聚乙烯醇(PVA)和4-二甲基氨基苯甲醛(DBA)的稳定基团原位交联,制备基于碱性吡啶和咪唑离子液体(ILs)的阴离子交换膜。之后将两种膜浸泡于氢氧化钠溶液中进行离子交换,得到氢氧化物交换膜[PYBy][OH]-DBA和[PVMIm][OH]-DBA。通过核磁共振氢谱,场发射扫描电镜,热重分析等方法详细分析了两种阴离子交换膜的分子结构、热稳定性、机械稳定性、氧化稳定性、耐碱稳定性、电导率和含水率,以及组分效应对膜性能的影响。结果表明:两种阴离子交换膜内部形成了致密且稳定的网络结构,所得到的两种交联共聚物薄膜表现出较高的OH-离子电导率(在室温下高于10-2S/cm),在稳定基团(PVA-DBA)质量比不变的情况下,其离子传导率随着膜中离子液体含量的增加而增加,且在PVA与离子液体的质量比为1:0.6时达到最高值,此后随着离子液体含量的增加而下降。所制得的两种阴离子交换膜均拥有良好的化学稳定性和机械性能。4-(咪唑-1-基)苯甲醛咪唑盐相较于4-吡啶甲醛是更为稳定的传导基团,因此[PVMIm][OH]-DBA具有比[PYBy][OH]-DBA更优秀的热稳定性、机械稳定性、氧化稳定性及耐碱稳定性,但电导率较低。两种阴离子交换膜均以聚乙烯醇为基底,因此具有一定的生物降解性,结合超分子作用,极大的简化了AEMs制备过程,同时整个实验过程中均为水相合成,干净环保,同时具有令人满意的离子传导率。
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