用于直接甲醇燃料电池的侧链型磺化聚芳醚酮/聚乙烯醇交联膜的制备与性能研究

以高磺化度的侧链型磺化聚芳醚酮(S-SPAEK)和聚乙烯醇(PVA)为原料,通过溶液共混的方法在120℃下制备了PVA含量不同的S-SPAEK/PVA交联膜.红外光谱图表明S-SPAEK聚合物中的磺酸基团与PVA中的羟基反应生成酯键而形成共价交联.通过对交联膜的性能测试发现PVA的引入明显降低了膜的甲醇渗透系数,改善了膜的溶胀性,提高了膜的保水能力.S-SPAEK/PVA(85/15)交联膜水的脱附系数从S-SPAEK的3.1×10-8 cm2/s降低到2.9×10-9 cm2/s.在25℃和60℃时S-SPAEK/PVA(85/15)交联膜的甲醇渗透系数分别为2.6×10-7cm2/s和3.9×10-7cm2/s,明显低于相同温度下的纯S-SPAEK膜的8.1×10-7cm2/s与14.5×10-7cm2/s,而其质子传导率虽然有所下降,但是在25℃和80℃时分别达到了0.055 S/cm和0.083 S/cm,能够满足直接甲醇燃料电池(DMFCs)对质子交换膜的要求,有望在DMFCs中得到应用.     

用于质子交换膜材料的侧链型磺化聚芳醚酮砜的光谱分析

采用直接缩聚的方法,通过调整氨基单体用量,合成出了系列带有不同氨基含量的聚芳醚酮砜(Am-PAEKS)聚合物,在聚合物侧链上进行后磺化接枝制备出了系列不同磺化度的侧链型磺化聚芳醚酮砜(S-SPAEKS),并且通过调整磺酸基团含量来控制聚合物的磺化度。通过红外光谱(FTIR)和氢核磁谱(1HNMR),对所合成的单体及其聚合物的结构进行了表征,S-SPAEKS红外光谱在1 239和1 060 cm-1处出现了磺酸基团中OSO的特征吸收峰,氢核磁谱中1.64 ppm处出现了处于烷基链中间位置的两个氢(—CH₂—CH₂—)化学位移,证明得到了S-SPAEKS聚合物。经热失重分析发现,聚合物中磺酸基团的脱落温度都高于240 ℃,聚合物主链降解温度都高于450 ℃。研究表明,该系列聚合物具有良好的热性能,可以用作质子交换膜材料。     

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.     

质子交换膜燃料电池用含氨基磺化聚芳醚酮砜交联膜的制备与性能研究

利用亲核缩聚方法合成出带有氨基的磺化度可控的磺化聚芳醚酮砜共聚物(Am-SPAEKS),并在180℃下制备了C-Am-SPAEKS交联膜.红外和氢核磁图表明氨基已被引入到SPAEKS共聚物中,而且AmSPAEKS聚合物中的磺酸基团与氨基反应生成磺酰胺键而形成共价交联.通过对C-Am-SPAEKS膜性能测试发现,氨基与磺酸基团之间发生的共价交联反应使交联膜的致密性增加,从而使膜的甲醇渗透系数显著降低,膜的溶胀性、热稳定性和膜的保水能力都得到了提高.在120℃时C-Am-SPAEKS膜的质子传导率达到了0.0883 S/cm,而其甲醇渗透系数在25℃时为0.5×10-7cm2/s,明显低于SPAEKS膜的8.9×10-7cm2/s和Nafion膜的2×10-6cm2/s.实验结果表明,C-Am-SPAEKS膜能够满足质子交换膜燃料电池(PEMFC)的使用要求,有望在中高温和直接甲醇燃料电池中得以应用.     

光谱分析在含1,3,4-噁二唑环质子交换膜领域中的应用

采用直接缩聚的方法,通过调节磺化单体与非磺化单体的比例合成出一系列含有1,3,4-噁二唑的聚芳醚砜聚合物。并且通过红外光谱,核磁共振谱,热失重分析仪对其结构进行验证。红外光谱在1 603cm-1出现了CN的特征吸收峰,验证了噁二唑环的结构,又经1 H NMR进一步验证了其聚合物的结构,说明已经成功在聚合物中引入了1,3,4-噁二唑环。热失重有两个明显的失重平台,在300和450℃分别为磺酸基团和聚合物骨架的断裂,展现了良好的热性能,满足作为质子交换膜的基本要求。     

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.     

侧链型磺化聚芳醚酮/磺化聚乙烯醇复合型直接甲醇燃料电池用质子交换膜

通过溶液共混法制备了不同磺化聚乙烯醇(SPVA)含量的侧链型磺化聚芳醚酮/磺化聚乙烯醇(S-SPAEK/SPVA)复合膜. 应用红外光谱(FTIR)对复合膜进行了表征, 扫描电镜(SEM)显示SPVA均匀分布在复合膜中. 通过对复合膜的性能测试发现该系列复合膜具有良好的热性能、较高的吸水率和保水能力. SPVA中的羟基能有效地阻碍甲醇的透过, 甲醇渗透系数从S-SPAEK/SPVA5 复合膜的7.9×10^-7 cm²·s^-1降低到S-SPAEK/SPVA30的1.3×10^-7 cm²·s^-1, 比S-SPAEK膜的11.5×10^-7 cm²·s^-1降低了一个数量级. SPVA的引入增加了亲水基团数量, 增加了复合膜的吸水和保水能力, 有利于质子按照“Vehicle”机理和“Grotthuss”机理进行传递, 柔软的SPVA链段与S-SPAEK侧链聚集成亲水相区, 形成连续的质子传输通道, 提高了复合膜的质子传导率. 在25 和80℃ 时, S-SPAEK/SPVA30 复合膜的质子传导率分别达到了0.071 和0.095 S·cm^-1. 可见,S-SPAEK/SPVA复合膜有望在直接甲醇燃料电池中得到应用.     

含氨基磺化聚芳醚酮砜质子交换膜的制备与性能

通过四元缩聚的方法合成了带有氨基的磺化度可控的磺化聚芳醚酮砜共聚物(Am-SPAEKS). 采用红外光谱和核磁共振谱表征了Am-SPAEKS共聚物的结构. 该共聚物膜具有较好的热性能、尺寸稳定性、较高的质子传导率和阻醇能力. 在80℃时Am-SPAEKS-1膜的质子传导率达到0.0894 S/cm, 而其甲醇渗透系数在25℃时为0.24×10^-6 cm²/s, 低于相同温度下SPAEKS膜(0.87×10^-6 cm²/s)和Nafion膜(2×10^-6 cm²/s). 结果表明, Am-SPAEKS膜能够满足质子交换膜燃料电池(PEMFC)的使用要求.