含羧基的磺化聚芳醚酮砜/杂多酸有机/无机复合膜的制备及性能研究

来源 :长春工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hnfengzhong
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质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新型清洁无污染且效率极高的电化学装置,它具有安全可靠、能量转化率高、复合性好、便携性好等很多优点。而质子交换膜(PEMs)是质子交换膜燃料电池的非常重要的组成部分,它的作用不但可以阻止电子的通过,而且还可以构建离子通道起到传输质子的关键作用。目前,商用质子交换膜用的比较多的是美国的杜邦公司生产的Nafion系列膜,它是一种全氟化结构的固体聚合物电解质。这种Nafion膜不但具有较好的导电性能和力学性能,而且它的热稳定性和化学稳定性也十分优异。然而Nafion膜它的高温质子传导率很低、阻醇性能很差以及生产成本很高、制备技术非常的复杂等诸多限制因素直接阻碍了Nafion的广泛推广和应用。因此,想要降低膜的成本、提高质子交换膜的性能使其能够弥补商用Nafion膜材料的不足而广泛应用,研发新的质子交换膜材料已经是迫在眉睫。当前,磺化聚芳醚酮砜(SPAEKS)这类材料由于其价格低廉而且有非常好的热稳定性以及机械强度,是最具有潜力的PEMs。SPAEKS膜材料主要依靠磺酸基团来传导质子,然而,随着膜的磺化度不断的提高,SPAEKS膜却很容易发生过度溶胀,导致膜的机械性能、氧化稳定性、尺寸稳定性以及阻醇性能都会大幅下降,所以会直接导致这些SPAEKS膜的使用性能下降。所以,通过化学或物理改性、修饰的方法,获得综合性能优异的SPAEKS类质子交换膜材料就显得十分重要了。本文首先采用了自组装法制备了具有质子传导能力的杂多酸(POM)材料{[Co(H2O)8][H(H2O)2.5](HINO)4(PMo12O40)}n,其中[Co(H2O)8]2+和H+(H2O)2.5簇中的水分子的半占据氧位点有利于形成氢键网络,氢键网络可以为质子提供传输位置,从而有利于质子的传输。其次通过缩聚的方法合成了SPAEKS聚合物,并将之与杂多酸复合物POM填料共混制备一系列C-SPAEKS复合膜。实验结果表明,在低含量条件下,杂多酸复合物填料能够均匀分散于SPAEKS中。该复合膜展示出良好的力学性能、优异的折叠性能和长期稳定性。即使在80oC,复合膜的溶胀率也很低(小于13%)。此外,C-SPAEKS P15%表现出高的质子传导率(30oC时为0.048 S cm-1,90oC时为0.099 S cm-1)和低的甲醇渗透率(5.02×10-7cm2s-1)。与纯C-SPAEKS相比,C-SPAEKS/POM复合膜的整体性能得到了改善。证明了该系列杂多酸复合物POM在质子交换膜领域具有很好的应用潜力。
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