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基于聚芳醚碱性离子交换膜及其理化性能研究

王光阜  
【摘要】:虽然商品化质子交换膜(Nafion(?))具有良好的机械性能,化学稳定性以及热稳定性,高的离子传导率,但是质子交换膜燃料电池仍然难以大规模的商品化。这是由于在酸性条件下,电极催化剂的活性低,可选择的种类少,同时催化剂(如Pt)价格昂贵,在低温条件下易产生CO中毒,膜的甲醇渗透性高。由于质子交换膜燃料电池存在上述限制,碱性阴离子交换膜燃料电池(Alkaline anion exchange membrane Fuel Cell, AAEMFC)逐渐引起人们的关注。碱性阴离子交换膜是碱性阴离子交换膜燃料电池的核心部件之一,起到传递氢氧根离子与分隔燃料的作用。与质子交换膜相比,目前碱性阴离子交换膜存在电导率低,稳定性差的缺点,难以满足AAEMFC的使用要求。本文的主要目的是以氯甲基化杂环聚醚酮(CMPPEK)为基体,制备具有高离子传导率,良好稳定性的交联型碱性阴离子交换膜,并对其理化性能进行了较为系统的评价。 为了提高碱性阴离子交换膜的机械性能与化学稳定性,以N-甲基咪唑(MIm)与N,N-二甲基哌嗪(DMP)作为复合铵化试剂,对CMPPEK进行季铵化反应,制膜,碱化,成功制备了N-甲基咪唑型交联碱性阴离子交换膜(MIm-CAAEM).对季铵化工艺进行了优化,通过FI-IR对其进行化学结构表征,采用TGA表征其热稳定性,测定了碱性膜的电导率,离子交换膜容量(IEC),吸水率,溶胀度,机械性能,化学稳定性等理化性能。结果表明在最优条件下制备的碱性膜,在90℃下的电导率为0.1S/cm,溶胀度为18.26%,在60℃,2mol/L KOH溶液中的降解时间为11天,具有高的热稳定性,耐溶剂性。所制备的碱性阴离子交换膜有望在燃料电池中得到实际应用。 采用三乙胺(TEA)与N,N-二甲基哌嗪作为复合铵化试剂,对CMPPEK进行预交联反应,制膜,季铵化,碱化,成功制备了三乙胺型交联碱性阴离子交换膜(TEA-CAAEM)。对制备工艺进行了优化,通过FI-IR对其进行化学结构表征,采用TGA表征其热稳定性,测定了碱性膜的电导率,离子交换膜容量,吸水率,溶胀度,机械性能,化学稳定性等理化性能。结果表明,膜的电导率随着温度的升高逐渐增大,90℃时的电导率达到0.13S/cm。采用氯甲基化度为3.28mmol/g的CMPPEK制备的碱性膜,吸水率为28.73%,拉伸强度为54.57Mpa,拉伸强度远远高于Nafion-115,具有良好的机械强度,理化性能优异,有望在碱性燃料电池中得到实际应用。


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