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《长春工业大学》 2018年
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聚苯并咪唑/功能化离子液体高温质子交换膜的制备与性能研究

刘凤祥  
【摘要】:燃料电池是一种方便、稳定、高效和环境友好型的能量转化设备。目前,对于燃料电池的研究已经成为诸类新能源研究大潮中的热点。质子交换膜(PEMs)作为聚合物电解质膜燃料电池的核心部件,起到传导质子阻隔燃料的作用,需要具有良好的机械性能和优异的质子传导率。聚苯并咪唑因良好的热稳定性和机械性能而被用作为高温质子交换膜材料。但是,单纯的聚苯并咪唑的质子传导率极低,必须进行无机酸掺杂处理,其中,掺杂磷酸最为常见。研究表明,作为核心性能的质子传导率依赖于磷酸掺杂水平,磷酸掺杂量越高,其质子传导率越高。因此,如何提高膜的磷酸掺杂水平从而获得较高的质子传导率也就成为了相关研究工作者所要解决的研究问题。为此,人们对聚苯并咪唑膜进行各种改性的研究。在前人不断的尝试中,我们发现离子液体(IL)作为一种室温下的熔融盐,能够有效的提高膜材料的磷酸掺杂能力和质子传导率。但是,简单掺杂的IL在体系中并不稳定,存在渗出的现象,直接影响膜材料的综合性能。本论文从分子设计角度出发,研究将IL基团固定在体系中的方法,从而避免离子液体的渗漏,提高磷酸掺杂水平和质子传导率。首先,合成了一种硅氧烷功能化的离子液体,并以此制备了含有离子液体基团的二氧化硅颗粒。在水解反应过程中与含有硅氧烷侧基的聚合物发生交联,从而实现将离子液体以共价键形式固定在体系中。按照这一实验方案,我们制备了一系列聚苯并咪唑/二氧化硅功能化离子液体复合膜(PBIOH-ILS)。测试结果表明,复合膜相较于纯膜,各项性能均有明显增强。其中,PBIOH-ILS 5表现出了最佳的质子传导率,在170℃时的质子传导率为0.106 S cm~(-1)。然而,当二氧化硅的含量过多时会发生聚集现象,这限制了离子液体基团在体系中的进一步增加。因此,我们以另一种实验方案对聚苯并咪唑膜进行了改进。首先,我们合成了一种双键功能化的离子液体,并使其聚合为可交联聚合离子液体。将此聚合离子液体和聚合物按比例有序掺杂,制备了一系列聚苯并咪唑/聚合离子液体交联复合膜(6FPBI-cPIL)。聚合离子液体的加入明显的提高了膜的氧化稳定性、机械性能和磷酸掺杂能力。特别是当聚合离子液体含量为10 wt.%时,膜在170℃下,质子传导率达到0.116 S cm~(-1)。并且复合膜的质子传导率在96小时的长期稳定性测试后仍能达到0.064 S cm~(-1)。
【学位授予单位】:长春工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O645.1;TM911.4

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