燃料电池用聚芳醚砜阴离子交换膜的制备及性能研究

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质子交换膜燃料电池(PEMFCs)由于具有高能量密度、高能量转换效率、环境友好和便携等优点,因此被认为是本世纪最具前景的能量转换装置之一。质子交换膜(PEM)作为PEMFCs的关键组件,受到众多研究者的关注。然而,PEM的高燃料渗透性和PEMFCs对Pt基催化剂的依赖性阻碍了其商业化进程。阴离子交换膜(AEM)与PEM相比,传导的离子是氢氧根离子而非质子。因此,AEM燃料电池是在碱性环境下工作,电极反应活性更高;另外,氢氧根离子和燃料的传递方向相反可以限制电拖曳,降低燃料渗透性。所以,阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)在降低燃料渗透性和催化剂依赖性这两点上具有PEMFCs无可比拟的优越性。但是,目前的AEM仍存在电导率低和耐碱性差的缺点,因此,制备具有良好电导率和耐碱性的AEM就显得十分必要。本文以聚醚砜为主体材料,设计合成了交联型和侧链型AEM,并进一步探究膜材料的分子结构与膜性能之间的关系。  首先,合成含叔胺的聚芳醚砜(PES-DA)和溴化聚芳醚砜(BPES),然后在-40℃下混合均匀后在室温下铸膜,再用浸泡法进行咪唑功能化反应。成膜过程中BPES的苄溴基团和PES-DA的叔胺基团发生季铵化反应实现交联,避免了小分子交联剂的使用和功能基团的消耗。所制备的膜在80℃下最高可达82.4mS·cm-1,另外,由于交联网络的形成,该系列膜具有极低的溶胀。氢氧燃料电池测试可得到0.82 V的开路电压和92.1 mW·cm-2的最大功率密度。  另外,通过将含溴咪唑离子液体接枝到含羟基的聚醚砜主链上得到侧链型聚醚砜AEM,柔性长侧链的引入有利于离子簇的聚集从而形成亲疏水微相分离和纳米离子通道,使所制备的侧链型膜具有极高的电导效率。该系列膜的质量IEC在1.01-1.90 meq·g-1范围内,同时,在30℃和80℃下,膜的电导率分别为22.13-59.19 mS·cm-1和51.66-108.53 mS·cm-1。该侧链膜也显示出良好的耐碱性和单电池性能。该工作展示了一种温和且具有普适性的AEM合成路线。
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