聯(lián)苯-癸烷結(jié)構(gòu)雙咪唑交聯(lián)的聚砜堿性膜.pdf

1、氫氧根離子交換膜(HEM)作為氫氧根離子交換膜燃料電池(HEMFC)核心組件，它的OH-傳導(dǎo)率、堿性與熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能及其穩(wěn)定性極大的影響了電池的性能。其中制備具有高OH-傳導(dǎo)率(HC)的HEM是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一。而提高HC最為直接有效的方法是提高膜的離子交換基團(tuán)的密度。但過高的離子交換基團(tuán)密度會(huì)使HEM產(chǎn)生過多的水吸收量，從而使膜耐溶脹性減弱。通過使用含有功能化基團(tuán)交聯(lián)劑對HEM進(jìn)行交聯(lián)改性可以有效的解決上述問題。基于含有功

2、能化基團(tuán)交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)的方法具有可獲得高離子交換基團(tuán)數(shù)目及密度、廣泛的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。然而，目前此類交聯(lián)膜的HC仍然較低。因此，本文通過在交聯(lián)膜中引入具有較大空間體積的剛性聯(lián)苯/柔性超長癸烷鏈交聯(lián)結(jié)構(gòu)來提高交聯(lián)膜的HC，并且，超長的烷基鏈可以有效的提高膜在堿性環(huán)境下的工作壽命。
　　因此，首先制備研究了四種氯甲基取代度的1，2-二甲基咪唑鎓化聚砜堿性膜的性能為后續(xù)膜制備與改性提供基礎(chǔ)。在此工作中，基于核磁和實(shí)際離子交換容量(IEC)

3、的測定，說明了咪唑與氯甲基之間極高的反應(yīng)活性和咪唑陽離子較好的離子交換性。此外，理論IEC為2.16 mmol g-1的堿性膜在20℃時(shí)具有較高的傳導(dǎo)率53 mS cm-1（20℃下Nafion112的為60 mS cm-1），但其在堿性燃料電池工作溫度60℃時(shí)發(fā)生過度溶脹呈現(xiàn)凝膠狀，喪失應(yīng)用性能。
　　為提高咪唑聚砜堿性膜的耐溶脹性能，采用含有功能化基團(tuán)交聯(lián)劑對咪唑堿性膜進(jìn)行交聯(lián)改性，并通過使用空間體積較大的聯(lián)苯交聯(lián)結(jié)構(gòu)來提高交

4、聯(lián)膜的傳導(dǎo)率?；诩t外及實(shí)際IEC測定的結(jié)果，建立了雙咪唑投入量(Rd/c)與交聯(lián)度的計(jì)算關(guān)系式。隨著Rd/c的增加，膜的傳導(dǎo)率不斷增大且吸水率不斷減小。當(dāng)Rd/c為0.33時(shí)，聯(lián)苯雙咪唑交聯(lián)膜傳導(dǎo)率為112 mS cm-1（60℃下Nafion112為100 mS cm-1），溶脹率為0.44(80℃)。通過TEM表征不同Rd/c下交聯(lián)膜的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)Rd/c較大的膜形成了更加連通且密集的離子傳遞通道，表明聯(lián)苯剛性結(jié)構(gòu)的引入對膜形成

5、連通的傳遞通道具有促進(jìn)作用。
　　盡管聯(lián)苯雙咪唑交聯(lián)膜具有較高的電導(dǎo)率與較好的高溫耐溶脹性，但其在高溫強(qiáng)堿下容易降解。針對上述問題，制備了超長鏈-癸烷雙咪唑交聯(lián)膜(理論IEC:2.14-2.25 mmolg-1)。癸烷雙咪唑交聯(lián)膜具有較高的傳導(dǎo)率和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，當(dāng)Rd/c為0.33時(shí)，傳導(dǎo)率為84 mS cm-1(60℃)，溶脹率為0.40(80℃);在60℃的1M KOH溶液中測試7天后，25℃下傳導(dǎo)率維持在40 mS cm