磺化聚芳醚酮砜/聚吡咯复合型直接甲醇燃料电池用质子交换膜的制备与性能研究

以高磺化度的磺化聚芳醚酮砜(SPAEKS)和吡咯(Py)为原料,通过原位聚合的方法制备了含有不同吡咯含量的SPAEKS/PPy复合膜.红外谱图表明SPAEKS聚合物中的磺酸基团与聚吡咯(PPy)中的亚氨基基团之间形成了强烈的相互作用.扫描电镜照片显示PPy能够均匀地分散在SPAEKS聚合物基体中,没有发生团聚现象.通过对复合膜的性能测试发现PPy的引入提高了复合膜的热稳定性,降低了复合膜的吸水率,改善了其水溶胀性.同时膜中水的脱附系数下降,提高了膜的保水能力.SPAEKS/PPy-3复合膜的甲醇渗透系数达到了1.18×10-7cm2/s,明显低于纯SPAEKS膜的8.52×10-7cm2/s,而其质子传导率虽有所降低,但在25℃和80℃仍然分别达到了0.039S/cm和0.061S/cm,能够满足质子交换膜对质子传导率的要求.研究结果表明,聚吡咯与SPAEKS中磺酸基的摩尔比为0.99的复合膜有望在直接甲醇燃料电池中得到应用.     

ZrO2纳米粒子原位杂化PVDF膜的制备及其抗污染性能

针对传统聚合物膜抗污染性差的问题,本文从杂化膜结构设计出发,提出将ZrO2纳米粒子的原位制备和聚偏氟乙烯(PVDF)相转化成膜过程有机结合的制膜新方法.该方法将阴离子交换树脂引入到N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,以氧氯化锆为原料,利用阴离子交换树脂提供的―OH与无机盐的阴离子进行交换,得到ZrO2纳米粒子均匀分散的N,N-二甲基甲酰胺溶胶体系.随后将PVDF聚合物溶解到所得的N,N-二甲基甲酰胺溶胶体系中,获得均一、透明的铸膜液.利用X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)对杂化膜中锆的存在状态和分散性能进行了表征.结果表明,ZrO2纳米粒子均匀分散在PVDF基体中,并且形成的纳米粒子的粒径约为10-20 nm.通过粘度、分相速度和膜形态的测定,研究了成膜机理.结果表明,ZrO2纳米粒子的引入加速了铸膜液成膜过程的分相速度.杂化膜的亲水性能通过接触角测定仪进行了评价.并选择以牛血清蛋白为代表模拟污染物,考察了杂化超滤膜的抗污染性能.结果表明,原位形成的ZrO2纳米粒子显著提高了膜的亲水性,减少了膜对蛋白质的吸附.这种将ZrO2纳米粒子的原位制备和PVDF相转化成膜过程有机结合的制膜新方法在有机-无机杂化膜的制备领域具有显著意义.     

磺化聚芳醚酮砜/聚芳醚砜噁二唑复合型质子交换膜的制备与性能

为了降低质子交换膜(PEM)的甲醇渗透系数和改善PEM在中高温(80~120 ℃)时的质子传导率, 以自制的磺化度(SD)为100%的磺化聚芳醚酮砜(SPAEKS)与聚芳醚砜噁二唑(PAESO)为原料, 采用溶液共混法制备了SPAEKS/PAESO复合膜, 并用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)对其进行了表征. 结果表明, 该复合膜具有较好的化学稳定性和热稳定性. 扫描电子显微镜(SEM)照片显示, 复合膜具有较好的致密结构, 其甲醇渗透系数为3.9×10^-7~6.6×10^-7 cm²/s, 低于SPAEKS的8.7×10^-7 cm²/s. 在100 ℃时复合膜的质子传导率达到0.074 S/cm, 高于SPAEKS膜的0.066 S/cm.     

含氨基聚芳醚酮/磺化聚芳醚酮砜中高温质子交换复合膜的制备与性能研究

以自制的高磺化度磺化聚芳醚酮砜(SPAEKS)和含有氨基的聚芳醚酮(Am-PAEK)为原料,通过共溶剂涂膜法制备了不同重量比例的Am-PAEK/SPAEKS复合膜.通过高温(160℃)处理使氨基和磺酸基团在复合膜内形成交联,制得交联型复合膜.复合膜的热性能、尺寸稳定性、阻醇性能有所提高,而且交联型复合膜中的Am-PAEK/SPAEKS-C-3质子传导率在120℃时达到了0.0892 S/cm,高于在相同测试条件下SPAEKS膜的0.0654 S/cm和Nafion膜的0.062 S/cm,而其甲醇渗透系数在25℃时达到0.14×10-6cm2/s,低于SPAEKS膜的0.85×10-6cm2/s和Nafion膜的2×10-6cm2/s.实验结果表明,Am-PAEK/SPAEKS交联型复合膜有望在中高温质子交换膜燃料电池中得到应用.     

负载型纯单斜相态纳米氧化锆的制备

采用溶胶沉积法,在γ-Al2O3及锐钛矿型TiO2上制备出了纯单斜相态的负载型纳米ZrO2.此一次粒子约为5nm的负载型ZrO2,聚集成尺度约为50nm的纺锤形,均匀分布于载体上.     

卟啉铜/CdSe纳米粒子复合膜的组装及其光学性能

采用静电自组装的方法,将带有相反电荷的水溶性卟啉--碘化三甲胺基苯基卟啉铜与CdSe纳米粒子交替沉积,制备了一种新型的有机-无机纳米复合薄膜。 紫外-可见吸收光谱表明,复合膜是逐层、均匀沉积的。 扫描电子显微镜照片显示复合膜中纳米粒子分布均匀,膜结构中缺陷少。 此外,还通过光谱手段系统地研究了该复合膜的发光性能、纳米粒子与卟啉之间的相互作用及膜的光稳定性。 研究结果发现,CdSe纳米粒子与CuTAPPI分子之间存在较强的相互作用,能产生由CuTAPPI到CdSe的光诱导电子转移。 而且,在该复合膜中CuTAPPI的光稳定性较高。     

MoO3/ZrO2纳米固体强酸催化剂的制备及其在异丁烷-丁烯烷基化反应中的应用

利用AOT/异辛烷反胶束体系制备了MoO3/ZrO2纳米粒子.TEM结果表明,反胶束法制得粒子的粒径均匀,95%以上处于38～60nm之间.将此纳米粒子负载于γ-Al2O3上,呈现高度分散状态.NH3-TPD和烷基化反应的测定结果表明,其酸量和反应活性明显高于浸渍法和溶胶-凝胶法制备的样品,烷基化产物中C8的含量在79%左右.     

表面修饰二氧化钛纳米粒子的结构表征及形成机理

利用溶胶 凝胶法在混合溶剂中制备了硬脂酸表面修饰TiO2纳米粒子,对所合成的纳米粒子通过FTIR、XPS、XRD和TEM对其结构进行表征.结果确证了表面有机修饰层的存在,并且是羧酸根与无机内核以双齿配位形式结合;无机纳米内核的结晶度很低,但是可以确定为锐钛矿成分,平均粒径约为6～8 nm.提出了表面修饰纳米粒子的形成机理,认为在体系中硬脂酸和水之间发生竞争反应,其过程类似于聚合 阻聚反应,最后给出了硬脂酸表面修饰TiO2纳米粒子的结构模型.     

纳米氧化锆的制备与应用

综述了纳米ZrO2粉体的制备与应用,展望了其发展前景。目前,纳米ZrO2粉体的制备方法以化学法为主。文章介绍了共沉淀法、金属醇盐法、溶胶-凝胶法、反胶团法、水热法、溶剂蒸发法、共蒸馏法及化学气相法等制备方法,并对上述各种方法作出评价。文章还介绍了纳米ZrO2粉体的应用研究,将其分散于陶瓷基体中以降低陶瓷的烧结温度,提高陶瓷的韧性和强度;将纳米ZrO2用作催化剂,在催化加氢及土壤固氮等方面呈现良好的催化活性和选择性。     

SnO2纳米粒子-花生酸LB膜有序组合体的研究

采用胶体化学法制备了稳定的SnO2纳米粒子（nanoparticleNP）水溶胶，用膜天平和原位布儒斯特角显微镜（BAM）考察了经典成膜材料花生酸（AA）在此水溶胶气-液界面的成膜性，并用LB膜技术在不同基底上制得了单层和多层AA-Sno2NP复合LB膜，通过TEM、小角X-ray、IR和UV-VIS光谱，进一步考察了该有序组装体的结构和周期性，以及组装作中Sno2纳米粒子的形貌、粒度分布和表面聚集状态.结果表明，用这种方法能够制得粒度分布均匀、农致密的Sno2纳米粒子复合LB膜，并且多层复合膜具有良好的周期性.     

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.     

Synthesis of fluoro-containing sulfonated poly(phthalazinone ether ketone ketone)s and their properties as PEM in PEMFC and DMFC

A series of sulfonated poly(ether ketone ketone)s (SPPFEKKs) containing both of phthalazinone and hexafluoroisopropylidene moieties were synthesized by direct nucleophilic polycondensation reaction from 4-(4-hydroxyphenyl)-1(2H)-phthalazinone (DHPZ), 4,4-hexafluoroisopropylidene-diphenol (BPAF), 1,4-bi(4-fluorobenzoyl) benzene (DFKK) and 1,4-bi(3-sodium sulfonate-4-fluorobenzoyl) benzene (SDFKK). The obtained SPPFEKKs had high molecular weight with inherent viscosity ranged from 1.29 to 1.53 dL/g and their chemical structure was characterized by FT-IR and ¹H NMR. The ionic membranes of SPPFEKKs showed high proton conductivity, for instance, SPPFEKK-120 (DS = 1.20) demonstrated 1.0 × 10⁻¹ S/cm proton conductivity at 95 °C, which was very close to that of Nafion^®117. All the SPPFEKK membranes exhibited methanol permeability lower than 2.76 × 10⁻⁷ cm²/s, which was much lower than that of Nafion^®117 (2.38 × 10⁻⁶ cm²/s). These copolymers also showed excellent thermal stability and good solubility in aprotic polar organic solvents. The ionic membranes of SPPFEKK demonstrated tensile strength varied from 57 to 69 MPa depending on their DS.     

P(VDF-co-TrFE-co-CTFE)-g-SPS共聚物的合成表征

采用商业聚(偏氟乙烯-co-三氟氯乙烯)(P(VDF-co-CTFE)为原料,结合氢化反应、ATRP和磺化反应系统合成了一系列聚(偏氟乙烯-co-三氟乙烯-co-三氟氯乙烯)-g-磺化聚苯乙烯(P(VDF-co-TrFE-co-CTFE)-g-SPS)共聚物.重点研究了测试环境(如温度和相对湿度)、聚合物微观结构(接枝密度,接枝长度等)对聚合物形貌、吸水率和质子传导率的影响.研究表明,在接枝量相同的情况下,随着接枝密度的降低,聚合物的相分离更加明显,亲水相从孤岛型逐渐转变为部分连续型;聚合物的吸水率随磺酸基摩尔含量增加而提高;聚合物的质子传导率随着温度的提高和湿度的降低而降低;在较低温度下,聚合物的电导率随接枝密度的增加而降低,而在较高温度下,聚合物的电导率随接枝密度的增加而升高.组成优化的P(VDF-co-TrFE-co-CTFE)-g-SPS共聚物在30～120℃和高湿度条件下,其质子传导率明显优于Nafion112膜.     

磺化聚醚砜/磷酸硼复合质子交换膜的制备与性能

采用sol-gel法成功制备了一系列有望用于高温质子交换膜燃料电池的新型磺化聚醚砜(SPES)/磷酸硼(BPO4)复合膜, 并经热重分析(TGA)-傅立叶变换红外光谱(FTIR)联用技术、差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)等对膜的结构和性能进行了表征. 结果表明, 复合膜较纯SPES膜具有更高的热稳定性和玻璃化转变温度, 较低的溶胀性及较高的氧化稳定性; SEM图片显示BPO4在聚合物基体中的分布十分均匀, 这将有利于连续质子传输通道的形成; 复合膜的质子传导率随BPO4含量的增加而增加, 当温度超过120 ℃后, 复合膜仍保持着较高的质子传导率, 这表明该复合膜在高温质子交换膜燃料电池中具有良好的应用前景.     

A study of linear versus angled rigid rod polymers for proton conducting membranes using sulfonated polyimides

Linear and angled monomers were incorporated into the main chain of a polyimide in order to investigate the effect of kinked versus linear polymers on membrane properties such as water uptake and proton conductivity. Polymers prepared using linear 4,4′-sulfonyldianiline, SPI1, and using angled 3,4′-sulfonyldianiline, SPI2, were cast into membranes possessing ion exchange capacities that varied from 0.79 to 2.75 meq g⁻¹. Membranes are thermally stable up to 300 °C under air. Proton conductivity of both membranes increases with temperature to values of 0.1-0.2 S cm⁻¹. The conductivity of angled, SPI2 membranes is greater than those prepared from SPI1 for a given IEC but water uptakes are lower. These differences are attributed to increased entanglements of the angled polymers, which limits the degree of swelling and increases the proton concentration. These results may be important in the design of proton conducting membranes from other rigid polyarylenes.     

燃料电池用质子交换膜的研究进展

质子交换膜是燃料电池的重要组成部分。本文介绍了全氟磺酸膜的优缺点,对其进行改进的方法以及新型质子交换膜的发展情况,重点讨论了各类质子交换膜的制备、结构、性质以及它们在质子交换膜燃料电池(PEMFC)或直接甲醇燃料电池(DMFC)的应用,最后提出质子交换膜的发展趋势。     

A NOVEL KIND OF PROTON EXCHANGE MEMBRANE: CHARACTERS AND PROTON TRANSPORT MECHANISM

A novel proton exchange membrane(PEM) was designed and prepared from a polymer containing calix[4]arene as the functional unit to transport proton.The proton-conductivity of this membrane is about the same order of magnitude as that of Nation~(?) 112 membrane.It is of interest to note that very different from most of the currently known PEMs,this membrane can transport proton without the help of water or other solvents.It is deduced that the protons are transported via an ion tunneling model.This opens u...     

New proton conducting hybrid membranes for HT-PEMFC systems based on polysiloxanes and SO3H-functionalized mesoporous Si-MCM-41 particles

For increased efficiency of high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (HT-PEMFC), new types of membranes have to be developed. This approach has been realized by preparing hybrid membranes containing SO₃H-functionalized mesoporous Si-MCM-41 as hydrophilic inorganic modifier in a polysiloxane matrix exhibiting sulfonic acid groups and basic heterocyclic groups like benzimidazole. The proton conductivity of sulfonated particles was modelled on the atomic scale in order to understand the influence of the density of sulfonic acid groups and of the presence of water molecules. The different hybrid membranes are characterized concerning their thermal stability, water uptake, and proton conductivity. Whereas the proton conductivity of well-established, but expensive and at >120 °C not long-time stable Nafion membranes continuously decreases with increasing temperature, the polysiloxane membranes, which suffer from a low-proton conductivity at around 100 °C, recover at about 120 °C due to intrinsic proton transport. At 180 °C the pure polysiloxane shows a proton conductivity which is only one order of magnitude lower than that of Nafion. Moreover, if the polysiloxane membrane contains additionally 10 wt.% of an SO₃H-modified Si-MCM-41, the proton conductivity of such hybrid membrane at temperatures >180 °C and low relative humidity <10% is higher than that of Nafion membranes by a factor of 10.     

非含氟型磺化聚合物质子交换膜材料的研究进展(下)

概述了近十年来非含氟型磺化聚合物质子交换膜材料的研究进展,包括各种材料的制备和性质,详细地讨论了材料的化学结构、形态与其性能(质子导电率、耐水性、尺寸稳定性、吸水率、抗自由基氧化性、甲醇透过率等)之间的关系,其中结合作者在磺化聚酰亚胺方面的研究工作,重点对这类材料进行了系统、深入的介绍和讨论.最后,本文还对今后燃料电池用质子交换膜材料的研究提出了一些设想和展望.本文分为上下两篇,其中下篇主要综述了非含氟型磺化聚合物的性能与结构形态之间的关系.     

侧链磺化聚芳醚质子交换膜的研究进展

燃料电池是以氢气、甲醇等作为燃料的一种新型能量转化装置,其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）凭借其能量功率高、启动速度快和使用寿命长等优点已经在移动电源、潜艇和电动汽车等领域得到了广泛应用。质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）对PEMFC的性能影响最大,高效的PEMFC需要PEM具有高的质子电导率、良好的热稳定性和机械性能、低燃料渗透率以及优异的物理化学稳定性等。目前市面上多数使用的均是具有优异质子电导率的Nafion系列膜,但其存在制备困难、成本昂贵、质子电导率严重依赖湿度等缺点,在一定程度上限制了其发展。为了让PEM有更多的选择,科学家一直专注于使用新材料替代Nafion膜。近年来,科学家们模拟Nafion结构,通过合成各种侧链含磺酸基团的聚芳醚结构,使得亲水基团磺酸基和疏水基团之间形成微相分离结构,从而获得了一系列具有优异综合性能的PEM。本文将重点对侧链烷基磺化型、侧链磺化嵌段型、侧链局部密集磺化型、侧链磺化交联型和侧链磺化复合型这几种常见策略的合成方法及性能进行了综述,最后展望了侧链磺化聚芳醚在PEM领域的优势及发展前景。