论文部分内容阅读
碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)具有碱性环境下氧化还原反应速率快,可使用非贵金属作催化剂等优点,引起了广泛关注。而碱性阴离子交换膜(AEM)作为AAEMFCs的关键部件之一,可以选择性透过OH-,同时将阴阳两极分隔开;AEM的性能直接影响着AAEMFCs的功率和耐久性。目前AEM的主要挑战是电导率低和稳定性差。针对这两大问题,本文设计并制备了侧链接枝型和自交联型两种阴离子交换膜结构。侧链接枝型结构可促进膜内微相相分离的形成,构筑彼此连通的离子传输通道;自交联型结构可以实现接枝密度和交联度可控,同时平衡膜的电导率、尺寸稳定性和机械性能。本文主要研究内容如下:(1)侧链接枝型阴离子交换膜(MmOH-N-PSf-VBC-ST)的制备及其性能。在氯甲基化聚砜(CMPSf)上接枝N-甲基二烯丙基胺合成双烯烃结构,通过自由基聚合反应接枝对氯甲基苯乙烯(VBC)以及苯乙烯(ST)的共聚侧链,通过控制VBC和ST的加入量,制备了一系列不同接枝长度的MmOH-PSf-VS膜。侧链的引入使得膜内部形成了良好的微相分离,在相近IEC下,MmOH-PSf-VS-12膜的电导率(33.71 mS cm-1,20°C)比主链型阴离子交换膜(MmOH-PSf,25.17 mS cm-1)高出33.9%;而且,主链上较低的接枝密度使得侧链接枝型阴离子交换膜表现出更好的碱稳定性,MmOH-PSf-VS膜在60°C,1M NaOH溶液中浸泡288 h后,IEC的保留率为80%。(2)自交联型阴离子交换膜(Cro-N-PSf)的制备及其性能。利用双烯烃结构在高温下热处理得到交联结构,通过控制CMPSf的氯甲基化程度和热交联时间来调节接枝密度和交联度,制备了一系列不同接枝密度和不同交联度的Cro-N-PSf膜。交联度的大小直接影响膜的电导率、吸水溶胀和机械性能。对于同一接枝密度的Cro-N-PSf-172膜,当热交联时间为80 min时,得到了较高的电导率,在20°C和80°C分别为24.07 mS cm-1,和53.73 mS cm-1;与未交联的N-PSf膜相比,Cro-N-PSf膜具有更好的尺寸稳定性,Cro-N-PSf-172-80 min膜的吸水率和溶胀度在20-80°C范围内基本不变,80°C下的吸水率和溶胀度分别为24%和13%。交联后的Cro-N-PSf膜的机械强度也明显增强,Cro-N-PSf-102-80 min膜的拉伸强度为47.80 MPa,表现出较好的机械性能。本文在双烯烃结构的基础上进行自由基聚合反应和热交联反应,分别得到侧链接枝结构和自交联结构,通过分析这两种AEM的性能,发现侧链接枝结构有利于提高膜的电导率和碱稳定性,自交联结构则使得膜的机械性能和尺寸稳定性得到增强。