IPTES化學鍵合HEDPA高溫低濕度質子交換膜的制備與性能研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有轉化效率高、能量密度高、快速啟動和無污染等優(yōu)點，并且可進行模塊化設計，其規(guī)模大小設計業(yè)非常靈活（可以從幾瓦到幾百千瓦），非常適宜在交通運輸、熱電聯產、分布式電站和移動便攜電源中得到廣泛的應用。因此，PEMFC得到了迅速的發(fā)展，被認為是最有前景的清潔能源轉換技術之一。質子交換膜（PEM）是PEMFC的重要組成部分，決定著PEMFC的性能。目前，已廣泛應用的Nafion膜存在著性能和價格方面的問題，制約了

2、PEMFC的發(fā)展。膦酸基聚硅氧烷有機-無機雜化質子交換膜由于結合了有機材料和無機材料的優(yōu)異性能，具有制備條件簡單、成本低、良好的熱穩(wěn)定性和高溫下較高的質子電導率等優(yōu)勢受到研究者的廣泛關注。
　　本論文采用異氰酸丙基三乙氧基硅烷（IPTES）、四乙氧基硅烷（TEOS）和羥基亞乙基二膦酸（HEDPA）為原料，利用溶膠-凝膠法制備了有機-無機雜化膜（記為IHM膜），并對制備的IHM膜的化學結構、熱穩(wěn)定性、水吸收、溶脹性能、以及質子電導率

3、和質子傳導機理進行了研究。FT-IR和13C NMR分析表明：通過IPTES中異氰酸酯基團與HEDPA中的羥基發(fā)生加成反應，將HEDPA化學鍵合到硅氧網絡中，提高了HEDPA在雜化膜中的穩(wěn)定性，防止了膦酸的浸出。XRD分析表明IHM膜是非晶態(tài)的，沒有結晶現象。同時，膦酸含量的增加導致酸性增強，其對硅氧網絡的形成有抑制作用。另外，IHM膜在225℃內顯示出較好的熱穩(wěn)定性，滿足高溫質子交換膜使用要求。IHM膜具有較高的吸水率和良好的尺寸穩(wěn)定

4、性，膦酸含量高，吸水率和溶脹度也高，反之，越低。
　　IHM膜的質子電導率隨膦酸含量的增加而增加，并且質子電導率對溫度和濕度有較大的依賴性。電導率最高的IHM-3膜在160℃和100％相對濕度時達到4.6×10-2Scm-1，甚至在干燥環(huán)境中也達到2.36×10-2Scm-1。利用1H和31P MAS NMR對IHM膜的質子傳導機理研究表明：IHM膜中形成了較強的氫鍵網絡，同時HEDPA是化學鍵合到硅氧網絡中，導致膦酸基團的位置比