基于半互穿聚合物网络的高温质子交换膜的制备

通过构筑基于含不饱和双键的磺化聚芳醚酮(Allyl-SPAEK)与芳醚型聚苯并咪唑(PBI)的半互穿聚合 物网络(IPN), 获得综合性能优异的可用于高温质子交换膜燃料电池的PBI/Allyl-SPAEK复合膜材料. 在对 Allyl-SPAEK和PBI的分子进行设计和合成的基础上, 采用溶液共混-浇铸方法, 基于UV辐照交联, 获得了由丙烯基生成的共价键和咪唑基-磺酸基形成的强酸碱相互作用组成的IPN新体系, 并系统研究了新型复合膜的热、 机械性能和质子传导率. 结果表明, 具有PBI/Allyl-SPAEK半互穿聚合物网络的复合膜具有较高的质子 传导率和力学性能, 在同等磷酸吸附水平和测试条件下优于PBI膜. 在磷酸吸附水平为13.0左右时, PBI/ Allyl-SPAEK复合膜的最大拉伸强度达到12.1 MPa, 杨氏模量达到131.5 MPa, 是同等磷酸吸附水平下 PBI 膜的2.04倍. 在200 ℃时, 两种PBI/Allyl-SPAEK复合膜的质子传导率均达到 200 mS/cm以上, 比PBI膜传导率提高了38%.     

可溶性聚苯并咪唑的合成及性能表征

使用简单温和的方法合成了含醚键的聚苯并咪唑(PBI),通过控制反应时间与反应温度得到了4种重均分子量不同的PBI,考察了重均分子量对PBI溶解性和拉伸性能的影响,确定了PBI的最佳制备条件。采用热重分析仪分析了PBI的热稳定性,同时考察了磷酸浸泡时间对PBI膜性能的影响以及温度对磷酸掺杂PBI膜质子电导率的影响。结果表明:在140℃下反应2h,制得的PBI综合性能最优,重均分子量可达4.9×10~5,且具备优良的热稳定性。此外,磷酸未掺杂的PBI膜能吸收222%的磷酸,在170℃无水条件下的质子电导率达到16.3mS/cm,有望用作高温质子交换膜。     

聚苯并咪唑/聚乙烯吡咯烷酮复合质子交换膜的制备及钒液流电池性能

将聚苯并咪唑(PBI)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共混, 制备了一系列PBI/PVP复合质子交换膜, 研究了不同PVP含量对PBI/PVP复合质子交换膜性能的影响. 研究结果表明, PVP的加入可有效提高PBI/PVP复合质子交换膜的吸水率及硫酸吸附量, 从而提高质子电导率, 与PBI原膜相比, PBI-PVP-5复合质子交换膜的结合酸含量可达2.47 mmol/g, 质子电导率达4.81 mS/cm, 选择性(3.12×10⁵ S·min/cm³)远高于原膜(1.12×10⁵ S·min/cm³). 电流密度为120 mA/cm²时, 电池的电压效率(VE)和能量效率(EE)均较PBI原膜提高了10%, 电池自放电时间长达307 h. PVP的加入为PBI系列钒液流电池隔膜提供了一个提高质子电导率的新思路.     

SPES/SiO_2杂化纳米纤维复合质子交换膜的制备与性能

提出了一种利用杂化纳米纤维来制备高性能质子交换膜的方法,首先采用溶液喷射纺丝技术纺制了SPES/Si O2杂化纳米纤维,再通过溶液浸渍法制备了SPES/Si O2/Nafion复合质子交换膜,并研究了其热稳定性、吸水性能、溶胀性能、质子传导性能以及甲醇渗透性能等.结果表明,杂化纳米纤维的引入明显改善了Nafion膜的热性能、尺寸稳定性,并大大提高了其质子传导性能.TG数据表明复合膜的热稳定性相比于Nafion膜得到了极大改善.复合膜溶胀率均比Nafion膜的小,SPES/Si O2/Nafion-5,SPES/Si O2/Nafion-15和SPES/Si O2/Nafion-25在80℃溶胀率仅为14.9%,15.84%和17.2%,但是复合膜的溶胀率随着Si O2含量的增加而增大.复合膜电导率随Si O2含量的增加呈先增大后减小的规律,Si O2含量为15%的复合膜在80℃、100%湿度条件下,质子导电率可达到0.154 S/cm.其阻醇性能也得到了极大改善,Si O2含量为25%的复合膜相比于Nafion膜其甲醇渗透率降低了55.3%.因此SPES/Si O2杂化纳米纤维复合质子交换膜可以作为一种新型质子交换膜应用于燃料电池中.     

含朝格尔碱基聚酰亚胺-聚苯并咪唑宽温域复合质子交换膜的制备和性能

针对氢燃料电池对宽温域质子交换膜材料的迫切应用需求,合成了新型含Tr?ger’s base (TB)结构的聚苯并咪唑(TB-PBI-N),并以之为填料与含TB基聚酰亚胺(PI-TB-N)共混,制备了5种不同比例的磷酸掺杂复合质子交换膜.通过傅里叶红外光谱(FTIR)、核磁氢谱(¹H-NMR)、热失重分析(TGA)和拉伸试验等表征了质子交换膜的结构、机械性能、热及氧化稳定性、酸吸收、溶胀度、质子电导率(σ)及氢/空燃料单电池的功率密度(PD),探究了TB-PBI-N填料的添加对复合膜性能的影响.结果表明：磷酸掺杂前复合膜的拉伸强度为87.3～129.5 MPa,掺杂后膜的拉伸强度为3.7～9.5 MPa,磷酸吸收率为235.3%～288.7%,溶胀率为13.9%～25.0%,可在30～160℃传导质子,σ和PD最高分别可达94.3 mS/cm和334.6 mW/cm². TBPBI-N填料的添加改善了复合膜的机械性能及磷酸掺杂膜的尺寸稳定性.另外,填料TB-PBI-N的TB结构具有额外的碱基位点,可提供一定的酸吸附能力,从而提升了σ.其中,复合...     

新型聚苯并咪唑树脂的微波合成及质子交换膜的性能

采用微波合成法, 调整己二酸和2,6-吡啶二甲酸2种二酸单体的配比, 使其与联苯四胺进行三元共聚, 制备出一系列新型含脂肪链结构的聚苯并咪唑(PBI)类质子交换膜, 并用红外光谱、 热重分析进行了表征, 对膜的吸水率、 溶胀率、 质子传导率、 机械强度及抗氧化性能等进行了测试. 当己二酸与2,6-吡啶二甲酸的摩尔比为3: 2时, 所制备的PBI-C₂膜掺杂磷酸后在160℃下的质子传导率可达30 mS/cm, 拉伸强度在常温下可达77.54 MPa, 断裂伸长率为39.25%, 最大储能模量为9.0623 MPa, 最大损耗模量为8.36 MPa, 玻璃化转变温度为360℃, 芬顿试验192 h后膜的降解率仅为0.21%, 表明PBI-C₂膜在高温质子交换膜燃料电池中具有较好的应用前景.     

一类侧链型磺化聚芳醚砜质子交换膜的合成及表征

以4,4'-二氟二苯砜和N-溴代丁二酰亚胺为起始原料,经两步有机反应设计并合成了一种新型活性二氟砜单体:3,3'-双(苯氧基苯基)-4,4'-二氟二苯砜,并由该单体与4,4'-二氟二苯砜、4,4'-二羟基二苯甲酮经亲核缩聚合成了侧链型聚芳醚砜聚合物(PAES-xx).通过较温和的后磺化反应,制得了一系列磺化聚芳醚砜质子交换膜(SPAES-xx).对所制侧链型聚芳醚砜质子交换膜的结构和性能分别进行了表征分析.结果表明,该类质子交换膜具有适中的吸水率和较好的尺寸稳定性,80℃时最高质子传导率达0.16 S/cm.此外,该类质子交换膜还具有良好的热稳定性和机械性能,起始分解温度约为250℃;膜的拉伸强度为29.5~42.0MPa,拉伸模量为0.62~1.23 GPa,断裂伸长率在9.0%~31.9%.磺化膜优良的综合性能主要归因于侧链磺化结构的引入和相分离结构的形成.     

支化型聚苯并咪唑高温质子交换膜的制备与性能研究

通过引入1,3,5-苯三酸作为支化结构,制备了一种新型的支化型聚醚聚苯并咪唑(OPBI)高温燃料电池质子交换膜,并对支化OPBI质子交换膜的磷酸掺杂率、抗氧化稳定性、机械性能以及质子传导率等一系列性质进行了深入研究.与线型聚苯并咪唑(PBI)相比,支化OPBI具有独特的三维空间结构,极大地提高了磷酸掺杂量,随着支化度的提高,磷酸掺杂率和质子传导率随之提高.支化度为9%时,聚合物的磷酸掺杂率高达9.2 PRU?1,质子传导率达到0.0314 S/cm.此外,支化OPBI膜的溶解性较线型PBI也有较大的改善,进一步提高了聚合物的可加工性.同时,支化OPBI膜的热稳定性和抗氧化稳定性也得到了一定程度的提高,虽然机械性能略有下降,但仍能满足高温燃料电池的使用要求.     

氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜研究进展

氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜(GO/Polymer blend PEM)是一种新型的质子交换膜,广泛应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)中,已成为质子交换膜研究的热点之一。氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜具有较高的传导质子率、力学性能、阻醇性能和电池性能。本文综述了氧化石墨烯(GO)处理方法、氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜制备方法,氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜的质子传导、阻醇、离子交换容量和电池的性能,氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜质子传递机理及阻醇机理。     

静电纺丝纳米纤维在燃料电池质子交换膜中应用的研究进展

保护环境,开发环保型能源,对人类和社会具有重要意义。 质子交换膜燃料电池由于具有燃料转化率较高和无污染的优点,备受关注。 静电纺丝纳米纤维具有比表面积大、高孔隙率和三维的相互连通的网状结构等特点,可以在燃料电池质子交换膜中得到广泛应用。 静电纺丝纳米纤维类复合质子交换膜具有较高的质子传导率,较低的燃料渗透率,较好的化学稳定性能、热稳定性能和机械性能。 本文首先介绍了质子交换膜燃料电池,然后从不同的离子型聚合物基质复合质子交换膜的类别出发,介绍了静电纺丝纳米纤维在Nafion、磺化聚酰亚胺(SPI)、聚苯并咪唑(PBI)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)等不同种类的离子型聚合物质子交换膜中的研究现状及作用机理,同时对静电纺丝纳米纤维在质子交换膜的应用方面存在的问题及应用前景做了评论和展望。     

有机-无机杂化材料在质子交换膜中的应用

质子交换膜是燃料电池中的核心组件,起着分隔阴极阳极、传导载流子等作用。然而,目前的膜材料在质子传导率、尺寸稳定性等方面仍有较大不足。有机-无机杂化材料兼备了有机、无机材料各自的优点,作为质子交换膜具有良好的应用前景。本文综述了近年来有机-无机杂化材料在燃料电池质子交换膜方面的研究进展,介绍了金属盐、金属纳米粒子掺杂、二氧化硅及硅氧烷掺杂,以及氧化石墨烯或粘土掺杂等三种方法制备的质子交换膜,并从制备方法、性能等方面分析了每种质子交换膜的优缺点。     

含杂萘联苯结构聚合物膜的直接甲醇燃料电池性能

质子交换膜是直接甲醇燃料电池(DMFC)的关键组成部分. 通过磺化制备了磺化杂萘联苯聚醚酮(SPPEK)、磺化杂萘联苯聚醚砜(SPPES)和磺化杂萘联苯聚醚砜酮(SPPESK)三种含杂萘联苯结构的新质子交换膜, 测试了其热稳定性、质子导电性和甲醇透过性能. SPPESK的热分解温度比相近离子交换容量(IEC)的SPPEK和SPPES约低100 ℃, 三种膜均具有良好的导电和阻醇性能; 分别以三种膜为电解质组装DMFC考察了其性能, DMFC的开路电压随膜的阻醇性的提高而增大, 三种膜的开路电压均高于Nafion115膜, 但在较高电流密度的区域三种新膜的性能均比Nafion115膜差.     

磺化聚醚醚酮与壳聚糖共混制备直接甲醇燃料电池用质子交换膜

给出了不同磺化度下的磺化聚醚醚酮(SPEEK)用作质子交换膜的一系列性能,另外提出了一种新型的酸碱共混质子交换膜,其中,磺化聚醚醚酮和壳聚糖分别被选为酸性、碱性高分子电解质,并对所制备的质子交换膜的相关性能如质子传导性,甲醇渗透性,吸水率以及膜溶胀性、热稳定性等进行了表征,结果表明此种新型复合膜尽管在质子传导性能方面有所下降,阻醇性能改变不大,但是膜溶胀性和吸水率方面有了较大的改善.磺化度为71.4%的SPEEK与壳聚糖以5∶1摩尔比共混制备的质子交换膜,其性质可以与商品化的Nafion 117相媲美,有望在甲醇燃料电池中得到应用.     

乙烷PBI/H_3PO_4质子传导膜燃料电池性能

研究了以乙烷作为燃料、掺杂了H3PO4的聚苯并咪唑(PBI)材料作为质子传导膜、Pt/C作为电极催化剂构成的燃料电池电化学性能。采用溶液铸造法制备了PBI/H3PO4质子传导膜,考察了在PBI膜中H3PO4的掺杂量与时间的关系及乙烷气体在增湿和不增湿条件下PBI/H3PO4燃料电池的电化学性能;探讨了电池的反应机理及不同操作温度对电池性能的影响。结果表明,PBI膜H3PO4适宜的掺杂时间为8h,电解质中掺杂600mol%H3PO4;乙烷气体增湿后,电池性能变好;操作温度提高,电化学反应速率加快,电池的输出电流与功率密度增加。结构为C2H6,(Pt/C阳极)/PBI/H3PO4膜/(Pt/C阴极),O2的单电池,在200℃和0.1Mpa、乙烷气体的湿度从0增加到0.02kgH2O/kg乙烷时,电池的最大输出电流密度从1.5mA·cm-2增加到34mA·cm-2,最大功率密度从0.33mW·cm-2增加到5.5mW·cm-2。     

笼形低聚倍半硅氧烷/聚酰亚胺杂化薄膜的合成、热性能及低温力学性能研究（英文）

通过掺杂不同质量分数的八缩水甘油醚基笼形低聚倍半硅氧烷(G-POSS),以溶胶凝胶法制备得到一种新型聚酰亚胺(PI)杂化薄膜.通过红外反射光谱(DRIFT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)表征了其结构与薄膜断面形貌,以热重(TG)和机械性能分析研究了薄膜的耐热性与常温和低温(77K)下的力学性能.结果表明,在掺杂量低于5%时,该杂化薄膜耐热性保持稳定,同时在常温和低温下都表现出优于纯PI膜的拉伸强度,其中在G-POSS掺杂量为3%时,杂化薄膜的拉伸强度为239.38MPa(77K),比纯PI膜提升了17%.这是由于在低温条件下,聚合物分子链被冻结,G-POSS粒子与PI基底间的排列更加紧密,同时界面作用力更大.     

质子交换膜燃料电池Nafion/PTFE复合膜的研究

在聚四氟乙烯(PTFE)多孔膜内浸入Nafion树脂,制成Nafion/PTFE复合膜用于质子交换膜燃料电池(PEMFC).该复合膜的Nafion含量在50%左右,在干态和湿态时的拉伸强度及水化/脱水过程中,其尺寸稳定性比Nafion均有所提高.在80 ℃,H2/O2压力为0.2/0.2 MPa条件下,用25 μm厚复合膜组装的电池性能优于Nafion117膜组装电池的性能.测量了复合膜的O2渗透率和含水量并与Nafion膜的性能作了比较.     

磺化聚醚醚酮/含硅二胺交联结构质子交换膜的制备与性能研究

采用含硅二胺(DMS)与磺化聚醚醚酮(SPEEK)反应,制备了交联结构质子交换膜.通过傅里叶变换红外(FTIR)和溶解实验证实交联结构的存在.采用热重分析仪(TG)、万能材料试验机和电化学综合站,研究了交联结构质子交换膜的热稳定性能、力学性能和交流阻抗.对质子交换膜的阻醇性能、水中尺寸稳定性能、吸水率、质子交换容量和质子传导率进行了详细探讨.交联改性可大幅度提高SPEEK膜的力学性能、阻醇性能以及尺寸稳定性能.通过扫描电镜(SEM)观察拉伸断面微观形貌,结果显示,DMS均匀分散在SPEEK基体中.将SPEEK/DMS交联结构质子交换膜与Nafion-117膜进行了性能对比分析,结果表明适度交联的质子交换膜具有比Nafion-117更优异的综合性能.20％的DMS对SPEEK进行交联改性后,膜的甲醇渗透系数为4.26×10-7 cm2·s-1,远低于Nafion-117的1.88×10-6 cm2·s-1;SPEEK/DMS-20％交联质子交换膜的有效选择性是Nafion-117的1.68倍.     

磺化聚醚酰亚胺/聚醚砜共混型质子交换膜的制备及其性能

以磺化聚醚酰亚胺(SPEI)和聚醚砜(PES)为原料, 采用溶液共混法成功制备出了SPEI/PES共混型质子交换膜,并经热重分析、AFM、SEM等对膜的结构和性能进行了表征. 结果表明, 共混膜较纯SPEI膜具有更高的热稳定性和较低的溶胀性; 在室温环境下, 共混膜在干态和湿态时均具有优异的机械性能; 与纯SPEI膜相比, 共混膜的形态结构更为致密, 这将有利于降低甲醇的渗透性. 采用交流阻抗法和隔膜扩散法分别考察了膜的质子传导性和阻醇性能, 对于共混质量比为50/50的膜来说, 其质子传导率达到了5.5 mS·cm-1的水平, 能满足质子交换膜的需求, 但其甲醇渗透系数明显降低, 仅为市用Nafion 112膜的5%, 这表明该共混膜有望作为一种新型的直接甲醇燃料电池用质子交换膜.     

聚苯并咪唑的合成、性能及在燃料电池膜材料中的应用

讨论了聚苯并咪唑（PBI）的制备、种类及其性能，综述了围绕PBI用作质子导电材料的改性、掺杂及质子输送机理的研究进展，评述了PBI在质子交换膜中应用的进展。     

基于聚苯并咪唑/超支化聚合物的交联共混体系的高温质子交换膜

在可溶性高分子量芳醚型聚苯并咪唑(OPBI)基体中引入超支化聚对氯甲基苯乙烯(H-VBC), 通过 便捷的溶液共混-浇铸法, 制备了基于聚苯并咪唑/超支化聚合物的新型交联体系(OPBI/H-VBC-1和OPBI/ H-VBC-2), 并对膜进行季铵盐化处理(OPBI/H-VBC-QA-1和OPBI/H-VBC-QA-2), 实现了复合膜综合性能的提升. 与原始OPBI膜相比, 交联型复合膜表现出优异的尺寸稳定性和“抗塑化”能力. 在85%磷酸中浸泡72 h后, OPBI/H-VBC-2和OPBI/H-VBC-QA-2的体积膨胀率只有184.2%和152.4%, 而OPBI的体积膨胀率达到336.5%; OPBI/H-VBC-2和OPBI/H-VBC-QA-2的最大拉伸强度分别达到36.3和21.9 MPa, 比单一OPBI膜的10.9 MPa提高了56%~233%. 研究发现, 季铵盐化的复合膜具有更高的质子传导率（在200 ℃下的质子传导率分别达到151.5和103.4 mS/cm）与磷酸吸收水平比值. 对比研究发现, 所制备的交联型复合膜比已报道大多数高温质子交换膜(HT-PEM)具有更优异的质子传导率与力学强度平衡能力.