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《浙江大学》 2006年
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溶胶—凝胶法制备无机/有机杂化质子交换膜的研究

张正伟  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有功率密度高、能量转换效率高、低温启动和无污染等优点。质子交换膜(PEM)是PEMFC的核心部件之一,提供质子迁移和输送的通道。由于目前所使用的全氟磺酸膜在热稳定性、化学稳定性等方面不够好,制约了PEMFC的商业化发展。有机/无机杂化质子交换膜是近年来的研究热点,杂化膜中的无机组成能增强交换膜的热稳定性和机械性能,有机组成则有助于提高交换膜的可加工性和质子传导能力。 本论文对无机/有机杂化质子交换膜的研究,目的在于探索新型的非氟质子交换膜,从而达到简化质子交换膜的制备工艺、降低成本、提高中温条件下的质子电导率。基于材料结构和性能的特点考虑,制备了以无机网络为骨架具有“固-液”模式的杂化膜。 采用正硅酸乙酯(TEOS)和聚乙二醇(PEG)作为先驱体,通过溶胶-凝胶法制备了磷钨酸(PWA)掺杂的SiO_2/PEG无机/有机杂化质子交换膜。应用FTIR、TGA、XRD、SEM对样品的组成和结构进行了表征,结果表明,杂化膜具有“固—液”模式结构,即骨架SiO_2网络结构中形成大量微孔,PEG和PWA如同液体填充在微孔中。同时,部分PEG以化学键接的方式与无机Si-O网络连接。 采用交流阻抗法研究了杂化膜的质子电导率,结果表明,质子电导率随PWA含量的增加而增加,也随PEG含量的增加而增加。但是,PEG和PWA含量过多则不利于杂化材料的成型,PEG过多将阻碍SiO_2网络的形成使强度降低,PWA过多则容易结晶导致破裂。在室温下,PEG30PWA30样品具有最高质子传导率,达7.682×10~(-5)S·cm~(-1),但成膜性能不好。综合考虑杂化膜的电导率和成膜性能,PEG30PWA20的组成最为理想,其室温质子电导率为6.125×10~(-5)S·cm~(-1)。 通过对不同温度下质子电导率的研究发现,温度升高电导率有所增加,但未能得到Arrhenius变化规律,对其原因进行了分析。 最后通过运载机理和Grotthuss机理解释了质子传导过程,其中,运载机理对杂化膜的质子传导起主要作用。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TB383.2

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