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含氨基磺化聚芳醚酮砜/官能化二氧化钛复合膜的制备与性能研究

臧欢  
【摘要】:质子交换膜燃料电池是当前社会最具有发展和前景的一种能源设备,其相比于其他能源来比具有高功率、高转化率以及绿色环保等等优势。电池运行的原理可以解释为,在质子交换膜燃料电池的内部中,质子可以穿透过质子交换膜,从其阳极运动、迁移到阴极;而在质子交换膜燃料电池的外部形成了闭合的电流回路。所以从以上分析可知,在电池中质子交换膜占据着十分核心的位置。它的使用性能可以直接影响到整个电池的运行寿命。在过去几年里,美国杜邦公司的Nafion质子交换膜一直长时间占领市场。但它存在和拥有一些缺陷,致使其在实际中不能很好地发展和应用。例如,制备困难,成本高,耐热性差,需要更好的水浴环境。因此一些科研人员,开始对这些膜进行了一些化学的改性或者努力寻找着一些可以替代它的产品。本文选用了磺化聚芳醚酮砜为基体材质,对部分原料进行了磺化和氨基化。为了增加其吸水能力,使膜内构成理想化的亲水-输水相分离结构。并选择使用无机粒子过来充当填充物,掺杂到基体膜中,这样制备了有机-无机复合膜。为了避免无机粒子对质子传递基团的稀释,而造成质子传导率下降,以及造成机械性能的损伤。所以打算使用含有氨基和羧基的离子液体对无机粒子进行接枝来防止出现缺陷。选择适当的掺杂比例制备出离子液体官能化二氧化钛复合膜(Am-IL-T)并与相应比例的纯二氧化钛复合膜(Am-T)进行了对比。经过测试,粒子含量为3%时,Am-IL-T和Am-T两种复合膜质子传导率均较纯膜提高,但是Am-IL-T复合膜提高了94.67%而Am-T仅仅提高了12.19%。而大于3%含量时,质子传导率均下降,但是由于没有传递质子的官能团,Am-T复合膜下降的比纯膜还要低。此外,Am-T的机械性能和氧化稳定性变化较小,而Am-IL-T中消耗了磺酸基团并形成了化学键、氢键的作用,机械性能所下降,但不影响使用。为了进一步解决稀释效应带来的质子传导率下降和化学键等交联带来的机械性能损伤。选取了3,4-二羟基苯基-L-丙氨酸作为接枝材料,又称为左旋多巴(L-dopa),该材料表面富含氨基酸基团,既可以与基体的氨基作用又可以与基体的羧基作用。最后调整合适官能化无机粒子的比例,成功的制备出复合膜。经过对比分析,该复合膜的质子传导率明显得提高了(L-Am(15%)=0.0879S/cm,Am-SPAEKS=0.0381S/cm,90°C),且上述所述的稀释作用并没有出现。另一优点是,显示该系类膜的杨氏模量从1866.46MPa提高到2270.08Mpa,机械性能不但没有下降反而有所增加。


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