双胍化聚砜阴离子交换膜的制备与性能

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碱性阴离子交换膜燃料电池(Alkaline Anion Exchange Membrane Fuel Cell, AAEMFC)具有氧化还原反应过电位低、电极反应动力学快、燃料渗透率低、水管理简单、成本低等优点而成为研究热点。阴离子交换膜(AEM)作为其核心部件,决定着AAEMFC的功率和放电稳定性。现阶段AEM的化学稳定性较差是需要解决的关键问题之一。针对该问题,本论文工作的创新思路为:通过在膜内构建吸水、保水性较好的水凝胶结构,“稀释”离子交换基团周围的OH-,弱化其对离子交换基的进攻;同时利用二苯醚双胍的增强共振效应及不含β-H的特点来改善膜的碱稳定性。根据上述思路,本文工作包括以下主要内容:(一)、氯甲基化聚砜的合成与氯甲基程度的控制。利用Friedel-Crafts (亲电取代)反应制备氯甲基化聚砜(CMPSf),并通过精确控制反应条件,得到不同氯甲基取代度(DC)的CMPSf, DC为0.84-1.37 mmol/g。(二)、新结构离子化试剂与水凝胶前驱体的设计、合成。以二氨基二苯醚和胍盐为原料合成不含β-H的二苯醚双胍(ODG);以ODG和一氯甲基三甲氧基硅烷为原料合成不含β-H双胍化倍半硅氧烷(BGBS)。(三)、凝胶型双胍化碱性膜的制备。以ODG为离子化试剂和交联剂,通过离子化反应、溶液铸膜、碱化等过程制备不同DC的双胍化聚砜阴离子交换膜(PSf-ODGOH)。通过在PSf-ODGOH膜内引入高吸水的BGBS,制备不同BGBS含量的凝胶型双胍化聚砜阴离子交换膜(PSf-ODG-BGBSOH)。(四)、膜性能研究。分析两种膜的吸水率、溶胀率、热稳定性、机械强度和电导率等性能。重点研究膜内水含量与膜化学稳定性之间的关系。结果表明,BGBS的引入能显著增加膜的吸水率(7.92%增加到18.97%);PSf-ODG-BGBSOH膜的化学稳定性高于PSf-ODGOH膜,3 M强碱溶液中室温浸泡20天后的电导率分别降低26%、38%;60℃ 1 M碱溶液中浸泡120 h后的电导率分别降低16%、25%;同时两种膜的初始热分解温度为230℃C,具有较好的热稳定性。本论文为高性能AEM的设计和研发提供了新思路和方法,对AAEMFC的后续研究提供了理论支持,具有重要的科学意义和潜在的应用价值。
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