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.     

自交联型磺化聚醚醚酮质子交换膜的合成

以含3,3'-二烯丙基双酚 A 结构单元的聚醚醚酮为基膜材料, 通过自由基加成反应在取代基上引入磺酸基团, 合成侧链型磺化聚醚醚酮(SPEEK)质子交换膜. 用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、 核磁共振氢谱(¹H NMR)、 热重分析(TG)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对 SPEEK 的结构进行表征. 实验结果表明, 巯基丙磺酸被接枝在聚醚醚酮侧基上, SPEEK 膜具有明显的亲水疏水微相分离形貌, 磺酸基团相互聚集形成离子通道. SPEEK 膜离子交换容量为 2.12 mmol/g, 钒离子渗透率为 1.54×10^-6 cm²/min, 低于Nafion117 膜的钒离子渗透率, 阻钒能力优于 Nafion117 膜. 以 SPEEK-4 膜组装电池的自放电时间约为130 h, 长于 Nafion117 膜的 66 h. 电池充放电循环 50 次, SPEEK-4 膜的库仑效率、 电压效率和能量效率没有明显降低, 显示出良好的稳定性.     

填充型具有微孔结构的磺化聚芳醚砜/聚醚砜复合质子交换膜的制备及性能

制备了基于磺化聚芳醚砜(SPAES)及聚醚砜(PES)的填充型复合质子交换膜, 研究了其吸水率、 尺寸变化、 热-机械特性、 质子电导率、 甲醇透过性及稳定性等性能. 通过浸入沉淀相转化法, 采用磺化度分别为30%(S30), 40%(S40)及50%(S50)的SPAES与PES制备了系列微孔型复合质子交换膜 Sx-y(x为SPAES的磺化度, y为SPAES的质量分数); 然后利用真空抽滤法在微孔中填充S50制备了相应的填充型复合质子交换膜Sx-y+F50. 结果表明, 由于微孔的引入及皮层结构的存在, Sx-y膜在低离子交换容量(IEC)条件下仍具有较高的电导率、 优良的机械强度、 优异的化学稳定性及较低的甲醇透过性. 经S50填充后, Sx-y+F50膜的IEC及电导率明显提升, 甲醇透过率大幅下降, 但机械强度及化学稳定性未见劣化. 其中S30-40+F50膜(IEC=0.69 mmol/g)的综合性能最佳, 其质子电导率在90 ℃水中达到50.4 mS/cm; 经140 ℃水处理24 h后失重率仅为8.2%, 质子电导率降低仅9%; 经过芬顿试剂(3% H₂O₂, 20 mg/L FeSO₄, 80 ℃, 1 h)处理后失重率仅为0.66%; 甲醇透过率仅为6.8×10^-8 cm²/s.     

氢气泡模板法制备多孔镍用于电催化氧化乙醇

多孔镍通过同时在水溶液中析出氢气及还原镍离子电沉积生成,其在强碱溶液中对乙醇表现出良好的电催化氧化效果。 在1 mol/L KOH溶液中,多孔镍的电极反应为准可逆的β-氢氧化镍与β-羟基氧化镍之间质子耦合电子转移。 循环伏安图显示峰值电流密度与电势扫描速度平方根成线性关系,据此计算可得多孔镍的质子扩散系数值为2.92×10^-8 cm²/s,其高于块状镍体系的质子扩散系数值约4个数量级,这可能由真实表面积增大导致。 循环伏安法和计时电流法用来表征多孔镍对乙醇的电催化氧化能力,相对于(220)镍电极,多孔镍表现出更高的催化效率,计时电流法测量的催化反应速率常数为7.17×10³ cm³/(mol·s)。     

基于静电纺丝和静电喷射技术的P(VDF-HFP)/Al2O3/P(VDF-HFP)复合隔膜的制备与电化学性能分析

通过静电纺丝和静电喷射技术, 将三氧化二铝(Al₂O₃)纳米颗粒沉积在两层聚四氟乙烯六氟丙烯[P(VDF-HFP)]静电纺丝隔膜之间, 制备出了具有“三明治”结构的P(VDF-HFP)/Al₂O₃/P(VDF-HFP)复合锂离子电池隔膜. 分析了隔膜的形态结构、 热收缩性能、 拉伸性能、 电化学性能以及隔膜在电池中的循环性能. 测试结果表明, 该复合隔膜比纯P(VdF-HFP)膜拥有更高的吸液率, 隔膜更容易吸收电解液从而形成凝胶聚合物电解质(GPEs). 该复合隔膜的拉伸强度在4 MPa左右, 相对应的断裂伸长率为261.57%. 复合隔膜在室温下的离子电导率为1.61×10^-3 S/cm, 且表现出了较高的电化学稳定性(电化学稳定窗口达到5.4 V). 在电池的循环测试中, 使用钴酸锂(LiCoCO₂)作为正极材料, 由该复合隔膜组装的电池的首次放电比容量达到了理想的水平, 为145 mA·h·g^-1.     

γ-Fe2O3纳米纤维的丙酮敏感特性

采用静电纺丝法制备了PVP/FeC₆H₅O₇复合纳米纤维, 并将复合纤维在500 ℃高温烧结3 h, X射线衍射分析(XRD)表明, 烧结后的产物为正尖晶石结构的γ-Fe₂O₃晶体. 扫描电子显微镜(SEM)观测结果表明, 制得了直径均匀、 连续的复合纳米纤维, 其平均直径约为1000 nm; 烧结后的γ-Fe₂O₃纳米纤维保持了其连续性, 但纤维发生了收缩, 直径较烧结前小, 平均约为600 nm. 比表面积分析表明, γ-Fe₂O₃纳米纤维比表面积为57.18 m²/g. 气敏性能测试结果表明, 230 ℃为γ-Fe₂O₃纳米纤维检测丙酮气体的最佳工作温度. 在此温度下, γ-Fe₂O₃纳米纤维对丙酮气体表现出高响应度[S=6.9, c(Acetone)=7.88×10⁴ mg/m³]和线性度(7.88×10²~1.58×10⁵ mg/m³浓度范围内). 同时, γ-Fe₂O₃纳米纤维气体传感器件还表现出良好的长期稳定性.     

磺化双酚芴型聚醚醚酮质子交换膜的制备及其在钒流电池中的应用

以双酚芴为结构单元合成双酚型聚醚醚酮聚合物,聚醚醚酮经浓硫酸磺化在双酚芴结构单元中引入磺化基团制备出聚醚醚酮质子交换膜(SF-PEEK)。 用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(¹H NMR)、热重分析(TG)、原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对聚醚醚酮质子交换膜的结构进行表征。 结果表明,磺酸基团被成功地在聚醚醚酮侧基上,SF-PEEK膜具有明显的亲水疏水微相分离形貌,磺酸基团相互聚集成形成离子通道。 SF-PEEK膜离子交换容量(IEC)达到1.97 mmol/g时,其电导率达到4.15×10^-2 S/cm,略低于Nafion117膜的5.67×10^-2 S/cm,但其钒离子渗透率仅为Nafion117膜的20.1%,表现出极好的离子选择性。 在钒流电池测试中,SF-PEEK膜在不同电流密度下库伦效率均高于Nafion117膜,其中IEC为1.97 mmol/g的SF80-PEEK608(80为SF的物质的量分数,608为60 ℃反应8 h)库伦效率在电流密度为40 mA/cm²时达到最大值80.9%,高于Nafion117膜的78.8%。 在自放电测试中,以SF80-PEEK608膜组装的电池的自放电时间为90 h,高于Nafion117膜的57 h。     

电/离子导体双包覆的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2锂离子电池阴极材料及其电化学性能

高镍三元材料LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ (NCM)比容量高且成本低, 但材料结构在电化学循环过程中的不稳定性影响了其大规模的应用, 可采用表面包覆的策略来改善材料的结构稳定性, 从而提高其电化学性能. 本工作结合高速固相包覆法和高温烧结法, 分别将电子导体氧化锡锑(ATO)和锂离子导体偏磷酸锂(LOP)共同包覆在NCM材料表面. 双包覆后的NCM材料的电子电导率从2.17×10^-3 Ѕ•cm^-1提高至1.02×10^-2 Ѕ•cm^-1, 锂离子扩散系数也从7.05×10^-9 cm²•s^-1提高至2.88×10^-8 cm²•s^-1. 同时, NCM表面的双包覆层可以在循环过程中阻止电极材料与电解液发生氧化还原反应, 抑制材料不利相变, 减少氧的析出, 稳定材料结构. 电化学性能测试表明, 经过表面包覆后, NCM材料在1 C (180 mA•g^-1)的电流下和2.7~4.3 V (vs. Li/Li⁺)的电压范围内, 循环150周后容量为161.1 mAh•g^-1, 保持率为87.1%, 而在10 C的充放电倍率下具有133 mAh•g^-1的可逆比容量.     

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.     

芘基查尔酮的合成及三阶非线性光学性质

合成了一种新的具有潜在应用价值的非线性光学(NLO)有机材料1-(芘-1-基)-3-(4-二甲氨基苯基)丙烯酮(PMAK),并通过 NMR、IR、MS和元素分析等技术手段进行了表征。 采用溶液Nd:YAG激光技术测定了PMAK的三阶非线性光学性质并确定了相关参数。 纳秒实验结果:折射率n₂=-3.5×10^-17 m²/W,吸收系数β=7.0×10^-10 m/W,极化率χ⁽³⁾=2.54×10^-11 esu,分子超极化率γ=3.44×10^-30 esu;皮秒实验结果:n₂=-2.8×10^-18 m²/W,β=8.3×10^-11 m/W,χ⁽³⁾=2.49×10^-12 esu,γ=3.33×10^-31 esu。     

基于磷钨酸功能化纳米纤维的超高质子/钒选择性的聚苯并咪唑膜在全钒液流电池中的应用

Proton exchange membrane (PEM) is a key component of vanadium redox flow battery (VRB), and its proton/vanadium selectivity plays an important role in the performance of a VRB single cell. Commercially available perfluorosulfonic acid (Nafion) membranes have been widely used due to their excellent proton conductivity and favorable chemical resistance. However, the large pore size micelle channels formed by the pendant sulfonic acid groups lead to the excessive penetration of vanadium ions, which seriously affects the coulombic efficiency (CE) of the single cell and accelerates the self-discharge rate of the battery. Additionally, the expensive cost of Nafion is also an important reason to limit its large-scale application. In this paper, the dense and low-cost hydrocarbon polymer polybenzimidazole (PBI) is used as the matrix material of the PEM, which is doped with phosphotungstic acid (PWA) to acquire excellent proton conductivity, and the intrinsic high resistance of PBI for vanadium ions is helpful to obtain high proton/vanadium selectivity. Considering the enormous water solubility of PWA and its easy leaching from membrane, organic polymer nano-Kevlar fibers (NKFs) are utilized as the anchoring agent of PWA, which achieves good anchoring effect and solves the problem of the poor compatibility between inorganic anchoring agent and the polymer matrix. The formation of PWA functionalized NKFs was characterized by scanning electron microscope (SEM) and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy. The anchoring stability of NKFs for PWA was evaluated by UV-Vis spectroscopy. The characterizations including water uptake, swelling ratio, ion exchange capacity, proton conductivity, vanadium ion permeability and ion selectivity were performed to evaluate the basic properties of the membranes. At the same time, the charge-discharge, self-discharge and cycle performance of single cell assembled with the composite membrane and recast Nafion were tested at various current densities from 40 to 100 mA∙cm^-2. Simple tuning for the filling amount of NKFs@PWA gives the composite membrane superior ion selectivity including an optimal value of 3.26 × 10⁵ S∙min∙cm^-3, which is 8.5 times higher than that of recast Nafion (0.34 × 10⁵ S∙min∙cm^-3). As a result, the VRB single cell assembled with the composite membrane exhibits higher CE and significantly lower self-discharge rate compared with recast Nafion. Typically, the CE of the VRB based on PBI-(NKFs@PWA)-22.5% membrane is 97.31% at 100 mA∙cm^-2 while the value of recast Nafion is only 90.28%. The open circuit voltage (V_OC) holding time above 0.8 V of the single cell assembled with the composite membrane is 95 h, which is about 2.4 times as long as that of recast Nafion-based VRB. The utilization of PBI as a separator for VRB can effectively suppress the penetration of vanadium ions, achieve higher proton/vanadium selectivity and superior battery performance as well as reduce the cost of the PEM, which will play an active role in the promotion of VRB applications.     

复合导电添加剂对全固态锂硫电池性能影响的研究

使用硫化物固体电解质的全固态锂硫电池由于多硫化物不溶于硫化物固体电解质及硫化物电解质不可燃的特性,得以完全避免穿梭效应并显著提高了电池的安全性能而被认为是极具潜力的下一代储能电池。如何建立并平衡复合正极中离子/电子导电网络且维持复合正极中较高活性物质含量对于全固态锂硫电池至关重要。本文以单质硫为活性物质研究了复合导电添加剂对全固态锂硫电池性能的影响,发现以乙炔黑（AB）为导电碳材料明显优于Super P和Ketjen Black;优化复合正极的组成,发现硫：乙炔黑：固体电解质的质量比为40:20:40时,全固态锂硫电池在室温和60℃下均具有良好的电化学性能。     

全钒液流电池用磺化聚醚醚酮/锂皂石质子膜的结构及性能

通过溶液流延法制备了磺化聚醚醚酮/锂皂石(SPEEK/Lap)复合膜, 对其物理化学性质、 机械性能、 化学稳定性及单电池性能进行了测试. 在SPEEK基质中引入的Lap有效改善了复合膜的质子传导率、 溶胀率和机械性能. 当Lap添加量(质量分数)从0.2%增到1.5%时, 复合膜的质子传导率随之增加(19.9~23.6 mS/cm). SPEEK/Lap-0.2复合膜的自放电时间为57.2 h, 是Nafion 117膜的2.4倍和纯SPEEK膜的1.5倍. 在80 mA/cm ²电流密度下, SPEEK/Lap-0.2复合膜的电压效率(VE, 86.5%)和能量效率(EE, 84.0%)明显高于Nafion 117膜(VE: 83.8%, EE: 80.7%)和纯SPEEK膜(VE: 81.4%, EE: 78.9%). 同时, SPEEK/Lap-0.2复合膜经100次充放电循环测试后具有良好的循环稳定性和结构稳定性.     

TMAH改性PVDF一步接枝PSBMA质子交换膜的制备与性能

使用四甲基氢氧化铵(TMAH)液相改性聚偏氟乙烯(PVDF),以过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂,一步将磺酸基甲基丙烯酸甲酯(SBMA)接枝到改性的PVDF上,制备了聚偏氟乙烯接枝聚磺酸基甲基丙烯酸甲酯(PVDFg-PSBMA)质子交换膜.利用傅里叶变换红外(FTIR)光谱和扫描电镜-X射线能谱(SEM-EDX)分析了膜的结构、形貌及硫元素分布情况.同时研究了不同质量分数的TMAH甲醇溶液对PVDF-g-PSBMA膜电导率和甲醇渗透率的影响.结果表明, TMAH使PVDF脱去HF产生碳碳双键且SBMA成功接枝到改性的PVDF骨架上,硫元素在膜内外分布均匀; PVDF-g-PSBMA膜的电导率和甲醇渗透率随TMAH在甲醇中质量分数的增多而增大, TMAH质量分数为20%的膜的质子电导率在20 ℃下达到0.0892 S·cm^-1,常温下的甲醇渗透率为4.04 × 10^-7cm²·s^-1;热重分析(TGA)表明,膜的热稳定性良好,耐热温度高达270 ℃.该膜作为电解质材料的直接甲醇燃料电池(DMFC)的最大功率密度达到17.06 mW·cm^-2.     

全钒液流电池的隔膜研究与应用

研究全钒液流电池的质子传导膜制备过程,提出高分子亲水/疏水相互作用诱导溶液相分离的成膜原理,进行制膜工艺放大,满足全钒液流电池的电堆制造与储能工程应用需要. 突破现有“离子交换”传质机理的限制,利用电解液中不同价态钒离子与氢离子相比,存在体积和荷电量的差异,通过离子“筛分”和“静电排斥”效应进行离子选择性渗透. 制成孔径分布在4 ~ 7 nm的聚偏氟乙烯质子传导膜,电导率为3.5×10-2 S•cm^-1,爆破强度高于0.3 MPa,面积800 mm × 900 mm. 利用扩散实验测定膜对H⁺/VO²⁺离子选择性,选择性系数达到306. 利用该质子传导膜组装的15 kW电堆,充电/放电循环性能稳定,电流密度达到100 mA•cm^-2,在700多个循环过程电流效率为93%,能量效率超过72%,具备产业化应用前景.     

高稳定性化学交联聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮碱性固体电解质膜

碱性固体电解质膜的稳定性是影响其在电化学领域应用的一个重要因素.本文在前期研究工作的基础上,通过直接共混和化学交联修饰制备出了聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮(PVA/PVP)碱性聚合物电解质膜.采用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、热重分析(TGA)、扫描电镜(SEM)和交流阻抗等方法详细考察了复合膜的分子结构、热稳定性、化学稳定性、氧化稳定性和尺寸稳定性.红外光谱结果表明,PVP成功地混入聚合物基体中,在1672cm-1处表现出来自于PVP第I带C襒O的强吸收峰.TGA结果表明,提高掺杂的KOH溶液浓度对PVA/PVP碱性膜的热稳定性没有明显影响.SEM分析结果表明,复合膜经高温、高浓度碱(80℃,10mol·L-1)处理后,其断面结构仍致密均匀,未出现类似小孔等膜降解情况,此时膜电导率(1.58×10-3S·cm-1)相比室温相同碱液时提高91.5%,表明PVA/PVP膜具有很好的耐碱化学稳定性.同时,PVA/PVP碱性膜表现出良好的抗氧化性,在60℃的3%和10%H2O2溶液中处理均没有观察到明显的质量损失,150h后仍能保持原膜质量的89%和85%.此外,由于膜内形成致密的内互交联网络结构,复合膜在水中800h之后也表现出很好的同向性和电导率稳定性.     

Nano oxides incorporated sulfonated poly(ether ether ketone) membranes with improved selectivity and stability for vanadium redox flow battery

Three kinds of sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK)/nano oxide (Al₂O₃, SiO₂, and TiO₂) composite membranes are fabricated for vanadium redox flow battery (VRFB) application. The composite membranes with 5 wt% of Al₂O₃, SiO₂, and TiO₂ (S/A-5 %, S/S-5 %, and S/T-5 %) exhibit excellent cell performance in VRFB. Incorporation of nano oxides (Al₂O₃, SiO₂, and TiO₂) in SPEEK membrane improves in aspect of thermal, mechanical, and chemical stabilities due to the hydrogen bonds’ interaction between SPEEK matrix and nano oxides. The energy efficiencies (EEs) of composite membranes are higher than that of Nafion 117 membrane, owing to the good balance between proton conductivity and vanadium ion permeability. The discharge–capacity retentions of composite membranes also overwhelm that of Nafion 117 membrane after 200 cycles, indicating their good stability in VRFB system. These low-cost SPEEK/nano oxide composite membranes exhibit great potential for the application in VRFB.