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膜微结构调控与质子传递过程强化

王景涛  
【摘要】:传递特性调控与强化是高性能膜设计的关键,而膜微结构是决定传递特性的基础。本研究针对质子交换膜(PEM)阻醇和质子传递特性间存在相互制约而无法同时提高的共性难题,围绕膜传递特性与膜微结构的关系,膜微结构形成机理及控制方法两个关键科学问题,基于生物黏合、植物保水和细胞质子传递等原理,创建和发展PEM的仿生制备方法,揭示膜微结构形成和调控规律,提出阻醇、质子传导传递特性强化的方法和理论,以期为面向应用过程质子交换膜材料的设计提供一定参考。具体研究内容及主要结论概述如下: 膜微结构调控与阻醇特性强化:(i)受生物黏合现象启发,利用多巴胺调控膜表面结构。温和条件下多巴胺自聚合在Nafion膜表面形成致密、牢固的纳米层。研究发现:聚多巴胺降低了Nafion膜表面的亲水性,其交联结构堵塞Nafion层表面离子簇通道并通过抑制溶胀降低膜内部通道的尺寸,从而降低了甲醇向膜内的溶解,强化了膜阻醇特性;(ii)采用杂化思想,利用无机颗粒调控膜主体微观结构。将SiO2-高分子亚微球填充到壳聚糖(CS)中制备杂化膜,深入研究膜主体微观结构和阻醇特性。结果发现:高分子-无机界面如存在相互吸引作用会导致产生界面应力,抑制高分子链运动,降低其自由体积孔穴半径;反之相互排斥作用会增强高分子链运动和自由体积孔穴半径。膜自由体积孔穴的降低将增大了甲醇分子扩散阻力,强化了膜阻醇特性。 膜微结构调控与质子传递特性强化:(i)采用杂化思想,利用纳米管构建质子传递通道。将磷酸化钛纳米管(PTNTs)分散到壳聚糖中制备杂化膜;系统地分析了PTNTs对膜质子传递机理和传递能力的影响。研究发现:PTNTs通过固定并富集磷酸根,借助-POH及吸附水在膜中构建连续质子传递通道,供质子以跳跃机理传导,显著强化了膜质子传递特性;(ii)受植物保水机理启发,优化膜保水特性。将高分子微囊(PMCs)填充到壳聚糖中制备复合膜。研究发现:PMCs类似于蓄水池,提高了膜吸水率;其壳层操纵水状态转换并降低水化学势,降低水在低湿度下蒸发速度,膜保水能力显著提高,从而强化了质子传递特性;(iii)受细胞质子泵启发,设计质子载体。将咪唑高分子微囊(IMCs)填充到SPEEK中制备复合膜。研究发现:咪唑与磺酸根形成的酸碱对类似于视紫红质通道的酸碱对,为质子传递提供了一条低阻力通道。低湿度下,咪唑微囊类似于植物细胞液泡,将水缓慢地释放到高分子中,确保膜界面区和主体区质子通道具有稳定的水环境,从而显著强化了膜质子传递特性。


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