带长脂肪侧链磺酸基聚芳醚质子交换膜的合成与性能表征

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本论文从分子设计的角度出发,通过廉价易得的化工原料,合成了一种带长脂肪侧链磺酸基团的聚芳醚材料,用流延法制备了质子交换膜,并对其性能进行了表征。结果表明,这种质子交换膜材料有潜力成为价格昂贵的全氟磺酸膜的代替品,其具体内容表述如下: 以3,3’—二烯丙基联苯二酚、双酚芴、4,4’—二氟二苯甲酮为原料合成了一系列含有不同含量丙烯基侧链的聚芳醚酮,进一步以3-巯基-1-丙烷磺酸钠为磺化试剂通过烯巯加成合成了一系列含有不同数量磺酸基团长脂肪侧链的聚合物。这些磺化聚合物具有很高的黏度(1.83~4.69 dL/g)并且易溶于常见的有机溶剂,可用流延法制备成强韧且透明的薄膜。用透射电镜(TEM)研究了膜的微观形态,结果表明膜里形成了类似Nafion117膜的明显的亲水/疏水微观相态分离,其中亲水性的磺酸基团簇大小均匀(5~10nm)、相互连通,均匀的分散在整块膜中。研究了制备膜和Nafion117膜100%湿度,不同温度梯度下的质子传导率,结果表明,温度升高时,该膜的导质子率比Nafion膜提高的更加明显,IEC值为1.69 mequiv./g的膜在100℃时的导质子率达到了2.5×10-2 Scm-1,超过了Nafion膜(2.0×10-2 Scm-1)。进一步研究了制备膜7e(IEC=1.69 meqiv./g)的燃料电池性能,发现由于其侧链的硫醚键对电极催化剂Pt有毒害作用,其电流密度相对较低。而将侧链的硫醚氧化成砜基后,电池性能有了显著的提高,最高电流密度达到了0.81 A/C㎡,接近Nafion在最佳使用温度时的最高电流密度0.83 A/c㎡。此外,该膜还具有优良的机械强度和尺寸稳定性,以及优异的抗氧化、抗水解性能和热稳定性,具有优异的燃料电池应用前景。
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