基于聚苯并咪唑和聚芳醚酮阴离子交换膜的制备及其性能研究

发布时间：2023-04-29 22:21

　　离子交换膜是一种具有离子传输官能团的固体电解质,因其对特定离子的选择透过特性,在氯碱工业、污水处理等传统化工领域扮演着重要角色。近年来,全球变暖推动了非化石能源的研究和发展,利用环境友好的替代清洁能源发电已成为一个必然趋势。阴离子交换膜燃料电池是一种将化学能直接高效转化为电能的新型清洁发电技术,近年来受到了广泛的关注。它包括正极、负极以及一个在中间传输离子的电解质层。而在阴离子交换膜燃料电池中的这层电解质同时起到传递阴离子并且阻隔燃料的作用。在高pH值条件下,阴离子交换膜的聚合物主体容易受到氢氧根离子的攻击从而缩短膜的使用寿命。到目前为止,如何同时提高阴离子交换膜的传导率和长期稳定性成为了科研工作者的研究热点和难点之一。通常为了提高离子传导率,最为直接的办法是提高膜内离子传输官能团的密度,即离子交换容量(IEC),但是随着IEC的增强,膜的亲水性会随之增加,过量的吸水导致过度溶胀甚至是溶解,影响膜的稳定性。因此,本文从离子传输官能团和膜微观聚集态结构入手,研究咪唑官能团和二茂铁官能团对离子传输性能的影响,以及膜微观形貌对离子传输性能的影响。在各种离子传输官能团结构中,咪唑环共轭结构经过...

【文章页数】：120 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 燃料电池
    1.2 质子交换膜
        1.2.1 聚苯乙烯基质子交换膜
        1.2.2 聚芳醚类质子交换膜
        1.2.3 聚酰铵和聚酰亚铵类质子交换膜
        1.2.4 质子交换膜的优势和局限性
    1.3 阴离子交换膜
        1.3.1 基于Nafion制备的阴离子交换膜
        1.3.2 基于部分含氟或无氟烯烃聚合物制备的阴离子交换膜
        1.3.3 聚芳醚类聚合物的阴离子交换膜
        1.3.4 基于微孔聚合物的阴离子交换膜
        1.3.5 基于聚离子液体的阴离子交换膜
        1.3.6 基于聚芳基哌啶聚合物的阴离子交换膜
        1.3.7 基于聚苯并咪唑的阴离子交换膜
    1.4 阴离子交换膜面临的问题
    1.5 阴离子交换膜的改性方法
        1.5.1 优化阳离子官能团的稳定性
        1.5.2 优化聚合物主链的稳定性
        1.5.3 优化微观相分离结构提高离子传导率
    1.6 本论文的设计思想与主要内容
第2章 阴离子交换膜的表征及性能测试
    2.1 阴离子交换膜的结构表征
    2.2 阴离子交换膜的性能测试
第3章 聚苯并咪唑/磷钨酸-离子液体复合型阴离子交换膜的制备及性能研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 实验材料与试剂
        3.2.2 聚苯并咪唑的合成,无机-有机填料的制备
        3.2.3 制备聚苯并咪唑/磷钨酸-离子液体复合型阴离子交换膜
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 聚苯并咪唑的核磁表征
        3.3.2 磷钨酸-离子液体(PWA-IL)及复合膜的红外表征
        3.3.3 磷钨酸-离子液体(PWA-IL)的微观形貌
        3.3.4 聚苯并咪唑/磷钨酸-离子液体复合膜的微观形貌
        3.3.5 聚苯并咪唑/磷钨酸-离子液体复合膜的热稳定性
        3.3.6 聚苯并咪唑/磷钨酸-离子液体复合膜的氧化稳定性
        3.3.7 聚苯并咪唑/磷钨酸-离子液体复合膜的力学性能
        3.3.8 聚苯并咪唑/磷钨酸-离子液体复合膜的离子交换容量
        3.3.9 聚苯并咪唑/磷钨酸-离子液体复合膜的OH^-离子传导率
    3.4 小节
第4章 聚苯并咪唑/季铵-二茂铁复合型阴离子交换膜的制备及性能研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验材料与试剂
        4.2.2 羟基聚苯并咪唑的合成
        4.2.3 二茂铁前驱体的制备
        4.2.4 聚苯并咪唑/季铵-二茂铁复合型阴离子交换膜
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 羟基聚苯并咪唑和二茂铁前驱体的制备
        4.3.2 聚苯并咪唑/季铵-二茂铁复合膜的溶解性
        4.3.3 聚苯并咪唑/季铵-二茂铁复合膜的红外表征
        4.3.4 季铵-二茂铁前驱体的自聚集
        4.3.5 聚苯并咪唑/季铵-二茂铁复合膜的微观形貌
        4.3.6 聚苯并咪唑/季铵-二茂铁复合膜的氧化稳定性
        4.3.7 聚苯并咪唑/季铵-二茂铁复合膜的亲水性
        4.3.8 聚苯并咪唑/季铵-二茂铁复合膜的热稳定性
        4.3.9 聚苯并咪唑/季铵-二茂铁复合膜的力学性能
        4.3.10 聚苯并咪唑/季铵-二茂铁复合膜的OH^-离子传导率
    4.4 小节
第5章 聚芳醚酮/聚离子液体交联型阴离子交换膜的制备及性能研究
    5.1 引言
    5.2 实验部分
        5.2.1 实验材料与试剂
        5.2.2 四甲基型聚芳醚酮(TMPAEK)的合成
        5.2.3 咪唑基离子液体(IL)的合成
        5.2.4 四甲基型聚芳醚酮的溴代反应
        5.2.5 咪唑基聚合离子液体(PIL)的合成
        5.2.6 聚芳醚酮/聚离子液体交联膜的制备
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 聚芳醚酮/聚离子液体交联膜的制备及结构表征
        5.3.2 聚芳醚酮/聚离子液体交联膜的溶胶-凝胶测试
        5.3.3 聚芳醚酮/聚离子液体交联膜的表面润湿性
        5.3.4 聚芳醚酮/聚离子液体交联膜的特异性溶胀
        5.3.5 聚芳醚酮/聚离子液体交联膜的微观形貌
        5.3.6 聚芳醚酮/聚离子液体交联膜的氢氧根离子传导率
        5.3.7 聚芳醚酮/聚离子液体交联膜的热稳定性
        5.3.8 聚芳醚酮/聚离子液体交联膜的力学性能
    5.4 小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
致谢
参考文献
作者简介
攻读博士学位期间研究成果



本文编号：3805854