嵌段磺化聚芳醚砜阳离子交换膜的制备及在MFC中的发电性能研究

采用嵌段共聚制备了具有不同链段长度的非磺化/磺化多嵌段型磺化聚芳醚砜阳离子交换膜(bSPAES),研究了bSPAES膜在微生物燃料电池(MFC)作为分离膜的性能.由于在亲水磺化部分引入了刚性更强的芴结构,bSPAES膜表现了更好的尺寸稳定性和水解稳定性.链段长度控制在10~30的bSPAES膜在30℃水中的尺寸变化表现为各向同性,介于10%~20%之间.bSPAES膜的质子导电率为81~140 mS/cm,远超过商用的ULTREX CMI-7000.经过1000 h MFC运行后,bSPAES膜电导率几乎没有发生降低.100℃24 h高温水稳定性试验表明,bSPAES膜的失重率仅在1.5%~6.3%之间.MFC最大功率密度也随着bSPAES中链段长度的增加而提高,链段长度为15~30的bSPAES膜的MFC产电性能优于商用ULTREX CMI-7000膜,bSPAES(30/30)膜在MFC中的最大功率密度达到705 mW/m2.     

CoCrx/SAPO-34催化剂的制备及对1,2-二氯乙烷的催化燃烧性能

以三乙胺和四乙基氢氧化铵为复合模板剂, 采用水热法合成出SAPO-34分子筛, 并以其为载体, 通过旋蒸浸渍法制备出CoCr_x/SAPO-34系列催化剂(x=0.05~0.25). 考察了该类催化剂的结构及表面酸性, 并以1,2-二氯乙烷(1,2-DCE)为目标污染物, 评价了其催化燃烧性能. 结果表明, Co₃O₄负载量为20%(质量分数)、 Cr掺杂量为0.06的CoCr_0.06/SAPO-34对1,2-DCE表现出优良的催化活性(T₉₀=290 ℃). 在290 ℃下, CoCr_0.06/SAPO-34对1,2-DCE的催化转化率能45 h保持80%以上, 表现出优良的稳定性以及耐氯中毒特性.     

侧链型磺化聚芳醚阳离子交换膜在微生物燃料电池中的应用

采用芳香亲核取代反应及溶液铸膜法,制备了一系列具有不同离子交换容量(IEC)的侧链型磺化聚芳醚砜(s SPFAE)阳离子交换膜,并作为分离膜应用于微生物燃料电池(MFC).研究了s SPFAE膜在双室MFC中产电性能并与商用阳离子交换膜进行了对比.s SPFAE膜的IEC为0.97~1.56 mmol/g,厚度约为80μm,在30℃时吸水率为20.9%~41.7%,电导率达到27.3~60.5 m S/cm,高于商用膜(22 m S/cm,420μm).对采用s SPFAE膜的MFC,根据峰功率密度法及极化曲线斜率法得到的MFC内阻约为29~64Ω,随着IEC的升高而降低,库伦效率达到47.7%~55%,其中s SPFAE-1.56膜的最大功率密度达到657.3 m W/m~2,且s SPFAE膜均表现出优于商用膜的产电性能.利用模拟等效电路对整个MFC系统进行EIS分析,结果表明阳极扩散内阻占这类MFC系统总内阻的87%~90%.结合循环伏安曲线、电化学阻抗谱测试及电极电势分析结果,表明分离膜对两极室间物质传递及阳极扩散阻抗有较大的影响.     

序列式含芴季铵化聚芳醚砜阴离子交换膜的制备及交联改性

为得到具有高电导率和稳定性的阴离子交换膜,采用两步聚合法合成了含芴的序列式聚芳醚砜,经付克氯甲基化、季铵化及碱化制备了季铵化聚芳醚砜,并以脂肪族二胺(N,N,N′,N′-四甲基丙二胺(TMPDA)及N,N,N′,N′-四甲基己二胺(TMHDA))为交联剂,通过直接交联及后交联法分别制备了2类序列交联型阴离子交换膜.制得的膜材料离子交换容量为1.59~2.12 mmol/g,柔韧结实.与具有相似离子交换容量的非交联膜相比,交联膜的抗溶剂性能、尺寸稳定性、离子电导率等性能均得到了提高.交联膜在高温水中的水解稳定性、强碱性条件下的化学稳定性显著增强.探讨了直接浇铸交联处理及成膜后交联处理2种交联方式对膜性能的影响,结果表明,后交联处理可以有效避免浇膜过程凝胶的形成,而且膜的稳定性相对于未交联膜有大幅度提高.尤其以TMHDA为交联剂的后交联膜的各项性能均优于相应非交联膜,IEC为2.17 mmol/g的PCL-M(H)膜,在30°C时吸水率为99%,膜径向尺寸变化率为15%,电导率为23.8 mS/cm,90°C时电导率达到82 mS/cm,经过4 mol/L的NaOH溶液室温处理240 h后,离子电导率损失为7.6%,100°C水处理24 h后重量损失为5.1%,表现出较好的稳定性.     

复合型季铵化聚醚砜碱性聚合物电解质膜的制备及性能

利用4,4?-二氟二苯砜(DFDPS)、9,9?-双(4-羟苯基)芴(BHPF)、2,2?-二(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)及4,4?-(六氟异丙叉)双酚(双酚AF)为原料,制备了2类具有不同主链刚性的聚醚砜材料.以聚醚砜及其氯甲基化产物按一定质量比采用溶液浇铸法,制备了2类新型共混阴离子交换膜,并避免了成膜过程中的相分离现象.在高分子主链上通过引入双酚芴(BQPAES系列)及双酚A(BQPES系列)结构调整主链的刚性,探讨了主链刚性对性能的影响;表征了共混膜的离子交换容量(IEC)、吸水及溶胀特性与离子电导率,并考察了它们的耐水解和耐碱稳定性.结果表明:2种聚合物相容性良好,共混膜质地均一,柔韧透明,吸水率和溶胀率适中,均随着温度的升高逐渐增加、随着聚醚砜含量增加逐渐减小;在90?C时,离子电导率最高达到89 m S/cm.经过沸水处理24 h后,均保持高机械强度,失重率低于5%;经2 mol/L的Na OH溶液30?C处理168~240 h后离子电导率仍可保持65%~80%.由于含双酚芴结构的高分子主链具有更高的刚性,在类似IEC条件下,BQPAES膜显示了比BQPES膜更好的尺寸稳定性和化学稳定性,同时维持了较高的电导率水平.由此表明,复合处理及适度提高高分子主链的刚性,有利于提高膜的性能.     

交联嵌段磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备及性能

为提高磺化聚芳醚砜(SPAES)质子交换膜的质子传导率及稳定性, 制备了一系列交联嵌段SPAES质子交换膜(cbSPAES). 采用嵌段共聚方法, 在P₂O₅存在下, 利用磺酸基团与聚合物主链上活泼氢的脱水反应进行交联改性合成嵌段聚合物. 采用电化学阻抗谱技术测定了cbSPAES膜的质子传导率, 通过测试水中膜平面及厚度方向的尺寸变化率评价膜的尺寸稳定性, 通过加速老化试验评价膜的水解稳定性. 结果表明, 与未交联膜相比, cbSPAES膜的尺寸稳定性及水解稳定性明显提高; 在交联程度相同时, cbSPAES膜的吸水率和质子传导率随着磺化链段长度的增加呈上升的趋势. 如cbSPAES(30/10)-10膜在60 ℃水中的吸水率为65%, 平面方向和厚度方向的尺寸变化率分别为0.16和0.18, 质子传导率达到163 mS/cm.     

磺化聚芳醚砜/磺化聚酰亚胺复合质子交换膜的制备与性能研究

利用溶液浇铸法制备了一系列双磺化型磺化聚芳醚砜/磺化聚酰亚胺(SPAES/SPI)复合质子交换膜.扫描电子显微镜(SEM)结果显示复合膜不存在明显的相分离,表明二者具有很好的相容性.由于SPI的引入,复合膜在甲醇中稳定性较纯SPAES具有大幅的提高,比Nafion112低得多的甲醇吸收率表明了这些复合膜具有比后者更低的甲醇透过率.复合膜显示了与单组分膜相类似的高温分解稳定性,磺酸基团的分解温度达到了290℃以上.复合膜显示出远高于纯SPAES膜的尺寸稳定性能,在130℃高温中200h处理后,所有的复合膜均保持了高的机械性能,而此时纯SPAES膜已经溶解于水中.而且由于两种磺化聚合物间的复合,复合膜维持了较高的IEC水平,显示了较高的质子导电率,在80%相对湿度时的质子导电率与Nafion112相近,而在水中的质子导电率均高于Nafion112.     

新型共混交联磺化聚醚醚酮/部分氟化磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备与表征

制备了基于磺化聚醚醚酮(SPEEK)/部分氟化磺化聚芳醚砜(SPFAES)的共混交联型质子交换膜(CMB), 研究了其吸水率、 尺寸变化、 力学性能、 热性能、 质子电导率、 化学稳定性及电池性能等. 通过在溶液浇铸过程中加入脱水剂诱导高温脱水反应, 在共混体系内构建了交联结构. 结果表明, 由于SPEEK与SPFAES之间良好的相容性、 分散性和聚合物链的重排及交联作用, CMB膜在干态下均表现出出色的力学强度, 且物化稳定性得到大幅提升. 在低离子交换容量(1.21~1.51 mmol/g)条件下, CMB膜的质子电导率达到122~219 mS/cm(80 ℃), 在氢氧单电池中, CMB4膜的最大功率密度达到530.5 mW/cm²(80 ℃).     

侧链型含氟磺化聚醚砜/磺化聚酰亚胺共混质子交换膜的制备及性能

制备了一类侧链型含氟磺化聚醚砜(s SPFES)与磺化聚酰亚胺(SPI)共混质子交换膜(s SPFES/SPI),研究了其吸水率、尺寸变化、质子电导率及稳定性等性能.结果表明,2种磺化聚合物以三乙胺盐型溶液共混及铸膜时相容性良好,制备的s SPFES/SPI共混质子交换膜结构均一,透明结实,离子交换容量为1.76~1.88 mmol/g.s SPFES/SPI共混质子交换膜表现出横向低于纵向的各向异性尺寸变化特性,在60℃水中横向尺寸变化率低于10%,经140℃加压水处理24 h后仍能保持较好的机械强度,质量损失低于6.1%.当温度高于50℃时,完全水合状态下的s SPFES/SPI共混质子交换膜的质子电导率均达到0.1 S/cm.     

新型直接交联磺化聚芳醚砜燃料电池用质子交换膜的合成及性能

以4,4′-二氟二苯砜、4,4′-联苯二酚、3,3′-二磺化-4,4′-二氟二苯砜二钠盐和三羟基苯为原料, 经高温溶液缩聚反应, 制备了一系列不同磺化度的新型交联磺化聚芳醚砜(CSPAES). 利用1H NMR和FTIR对聚合物结构进行表征. 采用溶液浇铸法制备了聚合物膜. 对膜的离子交换容量、吸水率、尺寸变化、机械性能和质子导电率进行了分析. 结果表明, 通过交联处理的磺化聚芳醚砜的水溶胀性明显降低, 当IEC为2.43时, CSPAES膜M(6/4-5)在水中的质子导电率达到260.5 mS/cm, 约为相同条件下Nafion112的2倍.