多功能空心微球用于強化質子交換膜質子傳導特性研究.pdf

1、為提高燃料電池質子交換膜的質子傳導性能,受自然界中植物細胞內液泡的結構和功能啟發(fā),基于膜內水環(huán)境優(yōu)化和質子傳遞通道構建的思想,設計合成了一系列類液泡的多功能空心微球,并將其填充于磺化聚醚醚酮(SPEEK)中,制備出多種直接甲醇燃料電池用新型質子交換膜,系統研究了該類填充材料對質子交換膜(PEM)性能的影響。
　　采用軟模板法合成出無機空心二氧化鈦微球(Hollow Titania Spheres,HTS,420nm),進而利用氨基

2、三甲叉膦酸(ATMP)與二氧化鈦的螯合反應對HTS進行磷酸化修飾,制備出磷酸功能化二氧化鈦空心球(Phosphorylated Hollow Titania Spheres,HTSP),并將其分散到SPEEK內制備出高性能雜化質子交換膜(SPEEK/HTSP)。HTSP的引入增強了雜化膜的熱穩(wěn)定性、抗溶脹性及阻醇性能。同時,HTSP的空心內腔結構在PEM內起到了類似“蓄水池”的作用,顯著提高了膜的吸水率?？招臍颖砻娓患牧姿岣稍谀?/p>

3、構建出新的質子傳遞通道,從而增強了膜的質子傳導特性。HTSP填充量為15％的SPEEK/HTSP-15雜化膜在室溫和70oC條件下,其質子傳導率分別達到2.39×10-2S/cm和2.56×10-1S/cm,是純SPEEK膜在相同條件下質子傳導率的3倍和2倍。
　　采用沉淀共蒸餾法合成出有機高分子咪唑微囊(IMCs),進而采用浸入法制備了磷鎢酸負載咪唑微囊(IMCs-HPW),并將其分散到SPEEK內制備出高性能復合質子交換膜(S

4、PEEK/IMCs-HPW)。IMCs-HPW微囊的引入顯著提高了膜的吸水-保水能力,同時微囊上的堿性咪唑基團與膜內的磺酸根間強的靜電引力作用強化了膜的抗溶脹性及阻醇性能。IMCs-HPW作為“酸池”在水分子的參與下在SPEEK主體與微囊的界面區(qū)以及微囊內部構建出連續(xù)質子傳導通道,進而降低了質子在膜內的傳遞阻力,強化了膜的質子傳導特性。室溫下SPEEK/IMCs-HPW-15復合膜的質子傳導率達到0.0316S/cm,相比純SPEEK膜

5、增加了約3倍。
　　采用沉淀共蒸餾法合成出聚甲基丙烯酸填充的咪唑微囊(IMCs-PMAA)多功能空心納米球,并將其填充于SPEEK內制備出高性能復合質子交換膜(SPEEK/IMCs-PMAA)。微囊的加入提高了膜的吸水率,同時咪唑與磺酸根之間強相互作用抑制了高分子鏈段的運動性,減小了親水性離子簇通道,進而增強了膜的抗溶脹性及阻醇性能。咪唑基團-磺酸根酸堿對在界面區(qū)形成質子通道,同時具有高水合能的羧酸官能團進一步優(yōu)化膜內水環(huán)境,并在