四氮唑質子載體接枝硅烷偶聯(lián)劑用于質子交換膜.pdf

1、商業(yè)化全氟磺酸膜如Nafion膜,質子傳遞主要依賴于外部水分子,工作溫度較低(80℃左右),導致鉑催化劑一氧化碳易中毒、引發(fā)電池內部水、熱管理困難等問題。因此,開發(fā)以非水質子載體為基礎的新型質子交換膜(PEM)備受關注。本課題來源于河南省國際合作項目“新型含氮雜環(huán)質子交換膜的設計與合成”(No.104300510009),目的在于篩選出一種良好的氮雜環(huán)質子載體,并以此化合物為基礎設計和合成一種具有原生質子傳遞能力的PEM。
　　

2、 咪唑和四氮唑環(huán)具有原生質子傳遞能力,本論文首先理論分析了咪唑環(huán)和四氮唑環(huán)的結構,對比了文獻報道的其相應質子交換膜的電導率,得出四氮唑環(huán)質子傳遞性優(yōu)于咪唑,另電化學測試表明四氮唑電化學穩(wěn)定性優(yōu)于咪唑,因此四氮唑比咪唑更適合用于PEM。之后通過四氮唑衍生物的pKa值分析,得出5-(4-羥基苯基)-1H-四氮唑是較好的選擇,并測試了其熱穩(wěn)定性可達247℃。
　　 其次,在水相中通過1,3-偶極環(huán)加成反應,合成了5-(4-羥基苯基)-

3、1H-四氮唑,紅外、核磁確認了產物結構。單因素和正交試驗優(yōu)化了合成條件:以0.12mol對羥基苯甲腈為基準,疊氮鈉和對羥基苯甲腈的摩爾比1.4:1,反應時間24小時,溶劑量270mL,反應溫度115℃,酸化溫度55℃,酸化時間90分鐘,產率92.5％。工藝環(huán)保、簡單、產率高。
　　 再次,將5-(4-羥基苯基)-1H-四氮唑和硅烷偶聯(lián)劑接枝合成了5-(4-(3-二乙氧基甲基硅烷基丙氧基)苯基)-1H-四氮唑,紅外和核磁表征了其結

4、構,凝膠色譜表征了分子量分布;單因素和正交試驗對實驗條件進行了優(yōu)化:以0.02mol5-(4-羥基苯基)-四氮唑為基準與氫氧化鉀和γ-氯丙基甲基二乙氧基硅烷比為:1:1.6:1.4,反應時間42h,溶劑量80mL時,收率69.3%;同時合成了5-(4-(3-三甲氧基硅烷基丙氧基)苯基)-1H-四氮唑并進行了結構表征。
　　 最后,接枝產物在聚四氟乙烯基膜上發(fā)生原位聚合,制備出了含四氮唑接枝產物的PEM。掃描電鏡觀察到基膜的微孔被