IPTES化學(xué)鍵合HEDPA高溫低濕度質(zhì)子交換膜的制備與性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有轉(zhuǎn)化效率高、能量密度高、快速啟動(dòng)和無污染等優(yōu)點(diǎn)，并且可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其規(guī)模大小設(shè)計(jì)業(yè)非常靈活（可以從幾瓦到幾百千瓦），非常適宜在交通運(yùn)輸、熱電聯(lián)產(chǎn)、分布式電站和移動(dòng)便攜電源中得到廣泛的應(yīng)用。因此，PEMFC得到了迅速的發(fā)展，被認(rèn)為是最有前景的清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。質(zhì)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(yīng)用的Nafion膜存在著性能和價(jià)格方面的問題，制約了

2、PEMFC的發(fā)展。膦酸基聚硅氧烷有機(jī)-無機(jī)雜化質(zhì)子交換膜由于結(jié)合了有機(jī)材料和無機(jī)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(zhì)子電導(dǎo)率等優(yōu)勢受到研究者的廣泛關(guān)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(jī)-無機(jī)雜化膜（記為IHM膜），并對制備的IHM膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、水吸收、溶脹性能、以及質(zhì)子電導(dǎo)率

3、和質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理進(jìn)行了研究。FT-IR和13C NMR分析表明：通過IPTES中異氰酸酯基團(tuán)與HEDPA中的羥基發(fā)生加成反應(yīng)，將HEDPA化學(xué)鍵合到硅氧網(wǎng)絡(luò)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(jié)晶現(xiàn)象。同時(shí)，膦酸含量的增加導(dǎo)致酸性增強(qiáng)，其對硅氧網(wǎng)絡(luò)的形成有抑制作用。另外，IHM膜在225℃內(nèi)顯示出較好的熱穩(wěn)定性，滿足高溫質(zhì)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(zhì)子電導(dǎo)率隨膦酸含量的增加而增加，并且質(zhì)子電導(dǎo)率對溫度和濕度有較大的依賴性。電導(dǎo)率最高的IHM-3膜在160℃和100％相對濕度時(shí)達(dá)到4.6×10-2Scm-1，甚至在干燥環(huán)境中也達(dá)到2.36×10-2Scm-1。利用1H和31P MAS NMR對IHM膜的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理研究表明：IHM膜中形成了較強(qiáng)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)HEDPA是化學(xué)鍵合到硅氧網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致膦酸基團(tuán)的位置比