谈述联苯聚苯并咪唑类高温质子交换膜制备与性能

论文导读：ABPBI聚合液,并利用刮膜法制备了30wt%和46wt%的复合膜。红外光谱(FT-IR)测试表明,ABPBI和T-PWA-SiO2发生了相互作用。扫描电镜(SEM)测试表明,复合膜平整,致密,无通孔。复合膜与溶液铸膜法制备的膜相比,具有更好的机械性能。ABPBI/(T-PWA-SiO2)(46wt.%)复合膜的电导率在180。C时为0.055S/cm。制备了新型的有机-无机高温质
摘要：直接甲醇燃料电池(DMFC)能量转化率高、环境友好、燃料补充方便易得等特点,近年来受到各国的重视。目前中高温DMFC探讨已成为DMFC探讨的热点。DMFC中通常利用的Nafion膜在高于120。C后,其持水率降低,电导率下降。由此,在高温(120。C-200。C)下利用的质子交换膜的开发探讨成为技术关键。PBI类质子交换膜是目前高温质子交换膜探讨中最为早的一类。但是,目前有着以下不足：首先,高温下电导率不高,尤其是酸掺杂型的PBI,其每个重复单元的酸掺杂量有限,导致其电导率不高。其次,高温尤其是高湿度下,掺杂的酸容易流失；PBI分子链端的氨基在强氧化条件下易被降解。这两点都影响了PBI膜的利用寿命。第三,PBI溶解性差。采取强酸、强碱溶解后所铸的PBI膜,由于高的酸碱掺杂量,机械性能很差。针对以上不论文提出以下三个解决案例：第一,制备了新型的高温高性能的质子导体掺杂到PBI基体中以提升其电导率第二,以聚2,5-苯并咪唑(ABPBI)和聚[2,2’-(间)-5,5’-联苯并咪唑](mPBI)为主要材料,利用尿素对其端氨基进行保护,合成抗氧化性能高的ABPBI和nPBI分子。第三,利用直接刮膜法或压膜法来制备出PBI复合膜。制备了Si02锚定的磷钨酸(T-PWA-SiO2)质子导体。通过溶-脱实验,测试固载牢度,与常规溶胶凝胶法制备的Si02吸附的PWA (PWA-SiO2)相比具有更强的固载牢度。将T-PWA-SiO2掺杂入ABPBI聚合液,并利用刮膜法制备了30 wt%和46 wt%的复合膜。红外光谱(FT-IR)测试表明,ABPBI和T-PWA-SiO2发生了相互作用。扫描电镜(SEM)测试表明,复合膜平整,致密,无通孔。复合膜与溶液铸膜法制备的膜相比,具有更好的机械性能。ABPBI/(T-PWA-SiO2) (46 wt.%)复合膜的电导率在180。C时为0.055 S/cm。制备了新型的有机-无机高温质子导体磺化苯磷酸铈(CeSPP),优化了制备工艺,FT-IR和X-射线粉末衍射(XRD)进行微观结构表征,结果表明,CeSPP为层状结构。SEM测试表明,CeSPP的粒径为50～100 nm。热重浅析(TGA)测试表明,CeSPP具有优异的热稳定性,在200。C之前未见显著失重。相对湿度为100%时,150。C电导率达到0.13 S/cm。质子迁移活化能约为29.64 kJ·mol-1。将CeSPP分别与ABPBI以及mPBI聚合液进行掺杂,通过压膜法制备了一系列的复合膜。SEM测试结果,复合膜平整致密,EDX面扫描测试表明,CeSPP在复合膜中分散均匀；FT-IR测试表明,CeSPP与聚合物之间发生了氢键作用；TG-DTA探讨发现,复合膜具有良好的热稳定性,能够在200。C以下利用。CeSPP的加入提升了复合膜的机械性能以及在高温下的导电率。ABPBI/CeSPP (38 wt.%)复合膜的电导率在180。C达到0.14 S/cm。PBI/CeSPP (25 wt.%)复合膜的电导率在180。C达到0.11 S/cm。质子迁移活化能分别为22.004 kJ·mol-1和24.665 kJ·mol-1。关键词：直接甲醇燃料电池论文高温质子交换膜论文聚2论文5-苯并咪唑论文聚[2论文2’-(间)-5论文5’-联苯并咪唑]论文磺化苯磷酸铈论文
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ABSTRACT5-10
第一章 引言10-27

1.1 燃料电池概述10-11

1.2 质子交换膜燃料电池11-12

1.2.1 PEMFC关键组件11-12

1.3 直接甲醇燃料电池(DMFC)12-13

1.4 质子交换膜探讨进展13-25

1.4.1 概述13-14

1.4.2 全氟质子交换膜14-15

1.4.3 部分含氟质子交换膜15-16

1.4.4 非氟质子交换膜16-20

1.4.5 聚苯并咪唑(PBI)类质子交换膜20-25

1.5 课题提出及主要探讨内容25-27

第二章 膜性能测试策略与表征27-30

2.1 傅立叶红外光谱(FT-IR)27

2.2论文导读：)和ABPBI/(T-PWA-SiO_2)复合膜电导率393.5.9两种复合膜电导率稳定性39-413.6本章小结41-42第四章新型高温质子导体CeSPP的制备42-494.1引言424.2实验原料、试剂及仪器42-434.2.1原料及试剂42-434.2.2仪器434.3磺化苯膦酸(msPPA)制备434.4磺化苯膦酸铈(CeSPP)制备43-444.5离子交换容量(IEC)测定444.6结果与讨论44-
紫外可见光谱(UV-vis)27

2.3 X射线粉末衍射(XRD)27

2.4 扫描电子显微镜(SEM)附EDX27-28

2.5 热重浅析(TGA)28

2.6 膜的性能测试28-30

2.6.1 拉伸性能28

2.6.2 氧化稳定性28-29

2.6.3 膜的电导率的测试29-30

第三章 ABPBI/(T-PWA-SiO_2)复合膜30-42

3.1 引言30

3.2 实验原料、试剂及仪器30-31

3.

2.1 原料及试剂30-31

3.

2.2 仪器31

3.3 SiO_2固载的磷钨酸(PWA-SiO_2)和SiO_2锚定的磷钨酸(T-PWA-SiO_2)31-32

3.1 PWA-SiO_2的制备31

3.2 T-PWA-SiO_2的制备31-32

3.4 ABPBI复合膜的制备32-33

3.5 结果讨论33-41

3.

5.1 PWA在PWA-SiO_2和T-PWA-SiO_2的牢固度测试33-34

3.5.2 T-PWA-SiO_2以及ABPBI/(T-PWA-SiO_2)复合膜红外表征34-35

3.5.3 ABPBI/(T-PWA-SiO_2)复合膜热重浅析35

3.5.4 无机质子导体与ABPBI复合膜XRD35-36

3.5.5 复合膜扫描电镜(SEM)36-37

3.5.6 复合膜抗氧化稳定性37-38

3.5.7 复合膜机械性能38-39

3.5.8 ABPBI/(PWA-SiO_2)和ABPBI/(T-PWA-SiO_2)复合膜电导率39

3.5.9 两种复合膜电导率稳定性39-41

3.6 本章小结41-42

第四章 新型高温质子导体CeSPP的制备42-49

4.1 引言42

4.2 实验原料、试剂及仪器42-43

4.

2.1 原料及试剂42-43

4.

2.2 仪器43

4.3 磺化苯膦酸(msPPA)制备43

4.4 磺化苯膦酸铈(CeSPP)制备43-44

4.5 离子交换容量(IEC)测定44

4.6 结果与讨论44-48

4.6.1 msPPA和CeSPP红外光谱44-45

4.6.2 CeSPP的XRD45

4.6.3 CeSPP的TGA45-46

4.6.4 CeSPP的SEM和EDX46-47

4.6.5 CeSPP的质子传导率47-48

4.7 本章小结48-49

第五章 ABPBI/CeSPP复合膜49-58

5.1 引言49

5.2 实验原料、试剂及仪器49-50

5.

2.1 原料及试剂49

5.

2.2 仪器49-50

5.3 ABPBI/CeSPP复合膜制备50

5.4 结果讨论50-57

5.

4.1 ABPBI/CeSPP复合膜红外表征50-51

5.

4.2 SEM和EDX51-53

5.

4.3 ABPBI/CeSPP复合膜XRD53

5.

4.4 ABPBI/CeSPP复合膜TGA53-54

5.

4.5 ABPBI/CeSPP复合膜氧化稳定性54-55

5.

4.6 ABPBI/CeSPP复合膜机械性能55-56

5.

4.7 ABPBI/CeSPP复合膜电导率56-57

5.5 本章小结57-58
第六章 PBI/CeSPP复合膜58-67

6.1 引言58

6.2 实验原料、试剂及仪器58-59

6.

2.1 原料及试剂58

6.

2.2 仪器58-59

6.3 PBI/CeSPP复合膜制备59-60

6.4 结果讨论60-66

6.

4.1 PBI/CeSPP复合膜红外光谱表征60

6.

4.2 复合膜SEM和EDX60-62

6.

4.3 PBI/CeSPP复合膜XRD62-63

6.

4.4 PBI/CeSPP复合膜TGA63-64

6.

4.5 PBI/CeSPP复合膜氧化稳定性64

6.

4.6 PBI/CeSPP复合膜机械性能64-65

6.

4.7 PBI/CeSPP复合膜质子传导率65-66

6.5 本章小结66-67
第七章 结论67-68
致谢68-69
参考文献69-77
在读期间所发表的论文77-78
在读期间所申请专利78