磺化聚芳醚砜/二氧化硅杂化质子交换膜的制备及性能研究

【摘要】：近年来，磺化聚芳醚砜成为有望代替Nafion膜的新型质子交换膜材料。该类聚合物膜在低磺化度时阻醇性能和力学性能较好，但质子传导率低，不能满足燃料电池的使用要求；而磺化度提高虽然对质子传导率有利，但膜会过度溶胀，牺牲了膜的机械性能，甲醇渗透率迅速下降。本论文针对这些问题，将有机-无机杂化和酸碱离子对作用、共价交联作用结合，对磺化聚芳醚砜聚合物膜进行改性，以期提高膜材料的综合性能。首先，选择合适磺化度的聚合物基体，使其既保证材料具有足够的质子传导能力，又不牺牲其机械性能；通过溶胶-凝胶法在聚合物基体中引入具有亲水作用的无机纳米粒子SiO2，并通过偶联剂KH550使聚合物和无机组分之间形成酸碱离子对作用，一方面通过提高杂化膜的吸水率提高其质子传导率，而且溶胶-凝胶法生成的SiO2表面的-Si-OH在酸性介质中也具有一定的传导能力，另一方面无机网络结构的引入和酸碱离子对作用有利于提高膜的尺寸稳定性，降低甲醇渗透率；其次，为了提高无机粒子在聚合物基体中的分散性，增强两相界面之间的结合力，在杂化膜中引入共价键作用，制备共价交联型杂化质子交换膜，在保证膜具有足够高的吸水率的同时保持良好的尺寸稳定性，并提高其机械性能和热稳定性；最后，为了提高高无机组分含量时杂化膜的质子传导率，又将磺酸基修饰的SiO2和共价键作用同时引入基体中，制备出含有磺酸基修饰的SiO2的共价交联型杂化质子交换膜，并对其相关性能进行测试分析。