壳聚糖改性酸碱型高温质子交换膜的制备与表征

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聚合物燃料电池由于其高效性和易于控制的特性成为最具有发展前景的电源电池之一,在它的系统结构中质子交换膜是其关键部件,燃料电池的各种性能都将会受到它的影响。近年来,Nafion膜系列的磺酸基质子交换膜已经得到了商业化的广泛应用,但是这种膜只能应用于燃料电池的低温领域,在高温环境下,Nafion膜的电导率和热性能会存在明显的下降现象,此外,Nafion膜的制作工艺和成本也抑制了其发展的脚步,因此制备一种具有优良的热稳定性能,成本低廉和质子传导率高的质子交换膜成为越来越多学者的研究重点。本文以氨基三甲叉膦酸(ATMP)为质子传导单元,制备了两种类型的聚合物质子交换膜,内容如下:(1)采用壳聚糖(CS)为成膜主体,氨基三甲叉膦酸(ATMP)为质子传导单元,通过溶胶-凝胶工艺制备膦酸含量不同的高温质子交换膜。FT-IR和XRD测试表明CS与ATMP成功发生了离子交联反应,形成了酸碱离子对结构,同时所制备的质子交换膜拥有良好的热稳定性,在180℃前可以稳定存在。此外,所制备的高温质子交换膜还有着较高的吸水率、离子交换容量和优良的抗氧化性能,并且随着膦酸含量的增加,膜的吸水率、离子交换容量均有所增加。SEM表明膜表面致密均匀,没有通孔存在。(2)采用CS和APTES为成膜主体,以ATMP为交联剂和质子传导单元,通过溶胶-凝胶工艺制备CS/APTES/ATMP高温质子交换膜。FT-IR测试表明CS和APTES上的氨基均与膦酸基团成功发生了离子交联反应,使氨基质子化,形成了酸碱离子对。XRD分析表明CS/APTES/ATMP复合膜为非晶态薄膜。热分析表明制备的CS/APTES/ATMP膜在180℃前可以稳定存在,并且产生很小的质量损失,约为6.14%。吸水率分析表明CS/APTES/ATMP复合膜有着良好的吸水性。离子交换容量分析表明CS/APTES/ATMP复合膜有着较高的离子交换容量,并且随着膦酸含量的增加,IEC值在不断提高。抗氧化性分析表明CS/APTES/ATMP复合膜有着良好的抗氧化性。膜的电导率分析表明在无水条件下CS/APTES/ATMP膜有着较高的电导率,并且随着温度的增加复合膜的电导率在不断增加,在140℃时可达到5.78×10-2S cm-1
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