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离子交换膜燃料电池由于高的能量转换效率和环境友好性而成为备受关注的新能源技术。酸性质子离子交换膜(PEMs)和碱性阴离子交换膜(AEMs)作为聚电解质膜的关键部分,同时起着分离燃料和传导离子的作用。
目前,实现商业化的主要是PEMFC,使用的都是是具有高电导率和化学稳定性含氟磺酸型离子交换膜(Nafion),不过价格昂贵,所用的电催化剂的耐久性能差。如果将酸性介质改为碱性下,就可以在获得高的能量效率的同时解决高成本、电催化剂的耐久性差和甲醇渗透现象严重等问题。因为在碱性环境中,阴极氧气的还原超电势明显下降,使得燃料电池性能较高、催化剂也相对较持久;此外阴极的动力学反应速度快,允许廉价催化剂的使用,这就大大地降低了燃料电池的成本。
尽管阴离子交换膜AEM在应用上具有很大优势,但相对于Nafion膜,低的电导率会直接导致电池的性能这的降低,使得AEM的应用面临着挑战。目前研究比较多的是季铵盐型的阴离子交换膜,(1)铵盐的溶解性能不好使得多数的季铵盐离子交换膜都是经后功能化的方法制备的,因此难于形成OH-传导的贯穿的离子通道;(2)在高温下的不稳定性问题:碱性条件下易受氢氧根离子OH-的进攻而发生降解,耐碱性能不佳,这些严重阻碍AEM的广泛商业化,耐碱性、高电导率的阴离子交换膜AEM的进一步发展与实用化至关重要。
通过以上的考虑,本论文旨在制备高电导率、耐碱性,力学性能和化学稳定性都有提高的阴离子交换膜。主要包括:
(1)以BPPO为原料,三(2,4,6-三甲氧苯基)膦(TTMPP)为鏻化试剂通过Menshutkin反应制备季鏻盐聚苯醚阴离子交换膜,并对制备的离子交换膜进行物化性能表征、热稳定性测试并观察其特殊的微观结构:季鏻盐极易溶解在极性溶剂中,如NMP和DMSO,允许用浇注法成膜,使得所得的膜具规整的相分离结构,获得了高的氢氧根离子OH-电导率(110 mS/cm,70℃)而同一温度下的长度变化率只有7%,且它在高温下耐碱性优良,60℃下于1mol/L的NaOH溶液中浸泡100h还能维持很好的韧性和极高的离子电导率。
(2)以不同溴化程度的聚苯醚(BPPO)和苯并咪唑(BIm)为原料,通过对BPPO进行亲核取代反应制备苯并咪唑聚苯醚,浇注涂膜得到咪唑型聚苯醚阴离子交换膜,并对其进行性能表征,耐碱性和单电池性能测试。