殼聚糖基堿性陰離子交換復(fù)合膜的設(shè)計(jì)、制備與燃料電池應(yīng)用研究.pdf

1、由于具有反應(yīng)動(dòng)力學(xué)快、甲醇滲透率低、不會(huì)生成碳酸鹽、CO中毒概率小、非鉑催化劑的使用等優(yōu)點(diǎn)，堿性陰離子交換復(fù)合膜燃料電池已成為近年來的研究熱點(diǎn)。然而，氫氧根離子(OH-)的擴(kuò)散速率僅為氫離子(H+)的1/4，因此獲得較高的電導(dǎo)率、降低活化極化，對(duì)堿性陰離子交換復(fù)合膜的研究尤為重要。另一方面，膜的穩(wěn)定性，尤其是在高濃度的堿液中的耐堿穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性是制約堿性陰離子交換膜燃料電池（AAEMFCs）發(fā)展的一個(gè)重要因素。
　　本論文通過

2、溶液澆注法制備了基于殼聚糖/水溶性氯化-1-乙烯基-3-甲基-1H-咪唑與1-乙烯基-2-吡咯烷酮的聚合物的堿性交換復(fù)合膜（Chitosan/EMImC-Co-EP-OH-），并成功應(yīng)用于燃料電池。由于引入了含有穩(wěn)定的咪唑環(huán)結(jié)構(gòu)的EMImC-Co-EP，以及物理-化學(xué)雙交聯(lián)法在膜內(nèi)形成的致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使此類復(fù)合膜不僅具有優(yōu)良的電導(dǎo)率（0.01S cm-1），而且具有良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的機(jī)械性能。采用了傅里葉紅外分析（FTIR）、場(chǎng)發(fā)射掃描

3、電鏡（SEM）、熱重分析（TGA）和交流阻抗（ AC impedance）等方法詳細(xì)考察了Chitosan/EMImC-Co-EP-OH-陰離子交換復(fù)合膜的分子結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性、耐堿穩(wěn)定性、電導(dǎo)率和含水率，以及組分效應(yīng)、交聯(lián)方式、氧化石墨烯（GO）摻雜及PVA-Chitosan共混對(duì)膜的發(fā)電性能的影響，具體結(jié)論如下：
　　（1）紅外譜圖和電鏡照片研究表明：Chitosan/EMImC-Co-EP-OH-陰離子

4、交換復(fù)合膜內(nèi)部形成了致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，說明物理-化學(xué)雙交聯(lián)法成功應(yīng)用于該類膜的制備。
　　（2）Chitosan/EMImC-Co-EP-OH-陰離子交換復(fù)合膜具有較高的電導(dǎo)率，且電導(dǎo)率隨著EMImC-Co-EP含量的增加而增加，在Chitosan/EMImC-Co-EP質(zhì)量比為1:0.75時(shí)達(dá)到最大值0.011 S cm-1，此后進(jìn)一步增加EMImC-Co-EP含量導(dǎo)致電導(dǎo)率的下降。
　?。?）電鏡照片和膜的機(jī)械性能測(cè)試表明

5、：當(dāng) Chitosan/EMImC-Co-EP質(zhì)量比為1:0.75和1:1時(shí)，膜內(nèi)發(fā)生了明顯的相分離現(xiàn)象，故機(jī)械性能較差，其拉伸強(qiáng)度小于2 MPa，而伸長率僅為1.57％。
　?。?）因選用含有穩(wěn)定五元環(huán)結(jié)構(gòu)的咪唑鹽，所以， Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性及耐堿穩(wěn)定性。膜的起始分解溫度達(dá)225oC；在8 M85oC高濃度KOH溶液中300h后，電導(dǎo)率仍維持在0

6、.01 S cm-1左右；在常溫30%H2O2溶液中，也表現(xiàn)出相對(duì)較高的穩(wěn)定性。
　?。?）GO和PVA的添加使得膜的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高，特別是表現(xiàn)在膜的力學(xué)性能上。拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)表明：摻雜1% GO的Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜（ Chitosan/EMImC-Co-EP質(zhì)量比為1:0.75），其拉伸強(qiáng)度為33.63 MPa，伸長率為9.77%，而未摻雜GO的同質(zhì)量比的膜的拉伸強(qiáng)度和伸長率僅分別為

7、1.68MPa和1.57%。而添加PVA后，膜的機(jī)械強(qiáng)度更是發(fā)生了質(zhì)的飛躍。其中， Chitosan和 PVA質(zhì)量比為3:2的Chitosan-PVA/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度最差，其拉伸強(qiáng)度為7.39MPa，伸長率為50.5%。
　?。?）初步單電池發(fā)電結(jié)果顯示：以Chitosan/EMImC-Co-EP堿性陰離子交換復(fù)合膜所制備的膜電極（MEA）具有優(yōu)良的發(fā)電性能。Chitosan/EMImC-Co

8、-EP質(zhì)量比分別為1:0.5和1:0.75的MEA發(fā)電功率分別為21.7和11.4 mW cm-2，開路電壓（OCV）分別為0.92V(Chitosan/EMImC-Co-EP=1:0.5)和0.82V(Chitosan/ EMImC-Co-EP=1:0.75)。進(jìn)一步摻雜 GO后的發(fā)電功率得到明顯提高，室溫下發(fā)電功率密度最高達(dá)到37.3 mW cm-2，比未摻雜GO提高了2倍多。而以Chitosan/PVA質(zhì)量比為3:2的Chitos