论文部分内容阅读
燃料电池是一种直接将燃料中的化学能转换为电能的能量转换装置，具有能量密度高、无污染、积木化组装的特点，可以作为手机、电脑等便携式电源，也可以作为汽车、小型电站等电源，被认为是最有前景的新型清洁能源。目前商用的全氟磺酸膜以水做质子传导介质，存在高温易脱水、甲醇渗透率高、价格昂贵等问题。因此开发非氟中温质子交换聚合物膜对燃料电池的发展具有重要意义。 本论文主要研究了基于质子型离子液体、表面功能化SiO2纳米粒子，以及功能化石墨烯的聚合物复合膜的制备，及其在中温燃料电池和甲醇燃料电池中的应用。研究内容主要包括以下几个方面： （1）合成并表征了1-丁基三唑三氟甲磺酸盐BTr[TFO]、1-丁基三唑磷酸盐BTr[H2PO4]和1-丁基三唑硫酸盐BTr[HSO4]三种基于三唑的质子型离子液体及可聚合型离子液体乳化剂1-（2-甲基丙烯酰氧十一烷基）-3-甲基咪唑溴化盐（b-Br），配制了含有三唑离子液体/(苯乙烯+丙烯腈)/b-Br微乳液，并在室温下绘制了该微乳液体系的拟三元相图。通过光引发聚合微乳液体系制备了质子交换聚合物复合膜，该质子交换聚合物复合膜具有良好的热稳定性，较高的电导率，在140℃时最高电导率达到1.3×10-2S/cm。 （2）设计合成了聚酰胺-胺（PAMAM）三氟甲磺酸盐、聚酰胺-胺（PAMAM）磷酸盐和聚酰胺-胺（PAMAM）硫酸盐等质子型大分子离子液体，以聚(苯乙烯-丙烯腈)为基体制备了基于大分子离子液体的高温质子交换聚合物复合膜。该质子交换膜透明，有韧性，热分解温度350?C以上，具有较高的电导率，160℃时达到1.2×10-2S/cm。与基于小分子离子液体的质子交换膜相比，该膜具有更高的电导率，并且能够更牢固的和聚合物膜相结合，不易析出。 （3）通过亲核缩聚制备了含氟聚苯并咪唑，设计合成了两性离子表面修饰的二氧化硅纳米粒子(ZC-SiO2)，以ZC-SiO2为添加剂制备磷酸掺杂的聚苯并咪唑/两性离子修饰二氧化硅粒子杂化质子交换聚合物膜。该质子交换膜透明、柔软、具有热稳定性及优异的机械性能，160℃时电导率达到1.0×10?2Scm?1。ZC-SiO2的掺杂稍微增强了杂化膜的化学稳定性，大大提高了聚合物膜的磷酸吸附能力。另外，ZC-SiO2对抑制磷酸的析出具有良好的效果。 （4）设计合成了磺酸化的两性石墨烯(ZC-GO)，以聚苯并咪唑为基体，磺酸化石墨烯为质子载体制备PBI/ZC-GO质子交换聚合物复合膜，该质子交换膜具有良好的热稳定性，较高的电导率，100％相对湿度，80?C时其电导率达到2.2×10-2S/cm。与纯的PBI膜相比，磺酸化石墨烯的掺杂显著提高了复合膜的吸水能力，而甲醇渗透率稍有增加，但是其阻甲醇渗透能力(3.16-7.23×10-7cm/s)仍然远远好于Nafion。