聚電解質(zhì)刷修飾TiO2納米管質(zhì)子交換膜的制備與研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)由于具有高的的能量轉(zhuǎn)換效率、啟動(dòng)時(shí)無(wú)噪音、對(duì)環(huán)境友好這些方面的優(yōu)勢(shì)，將有望在電動(dòng)汽車、備用電源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。提高燃料電池的工作溫度則可以改善散熱效率低、消除兩相流的影響，進(jìn)而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性;而且，高溫運(yùn)行有望使得非Pt系催化劑得到應(yīng)用。而傳統(tǒng)的全氟磺酸樹(shù)脂類導(dǎo)質(zhì)子膜制造成本偏高、對(duì)水的高度依賴性限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用，尤其是在高溫下的應(yīng)用前景。而高溫低濕度運(yùn)行的質(zhì)子交換膜的開(kāi)發(fā)則是高溫PEMFC的研

2、發(fā)的關(guān)鍵步驟?；诖?，本論文以TiO2納米管為基體材料，通過(guò)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合和原位引發(fā)聚合技術(shù)，將聚電解質(zhì)刷固定在TiO2納米管表面，構(gòu)建質(zhì)子傳輸通道，并對(duì)不同自由基聚合時(shí)間、單體濃度下合成的聚AMPS刷進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論:
　　 (1)140℃利用水熱合成法反應(yīng)48h，制備了實(shí)驗(yàn)所需的TiO2納米管，納米管內(nèi)徑5nm，管壁厚度1.4nm左右，粒徑184.8nm，TiO2納米管表面具有一定數(shù)目的羥基并且具有一定的保水性，而且熱

3、穩(wěn)定性好，適合做高溫質(zhì)子交換膜的基體材料。
　　 (2)當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為3.5h、單體體積為10ml時(shí)，聚AMPS刷的質(zhì)子電導(dǎo)率最大，140℃干態(tài)下電導(dǎo)率為9.84×10-3 Scm-1，140℃100％RH條件下電導(dǎo)率為9.54×10-2 Scm-1，與nafion膜的電導(dǎo)率0.1Scm-1相當(dāng)，此時(shí)所測(cè)EW值為290g/mol，而Nafion膜的EW值為1100 g/mol，說(shuō)明聚AMPS刷能達(dá)到很高的接枝密度而且是同向的接枝在

4、TiO2納米管表面，同向高密度的磺酸基團(tuán)會(huì)使水的自由體積減小，這樣即使離子通道不存在的條件下也會(huì)有質(zhì)子的傳輸，而且EW值越低，膜的保水性越好，使其在低濕度下有很高的電導(dǎo)率。
　　 (3)60℃時(shí)，聚AMPS刷在0％-50％RH之間質(zhì)子電導(dǎo)率的上升速率明顯要高于50％-100％RH。當(dāng)濕度從0％增加到50％時(shí)，質(zhì)子電導(dǎo)率從1.75×10-3 Scm-1增加到2.25×10-2Scm-1，100％RH時(shí)質(zhì)子電導(dǎo)率為3.0×10-2S