膜內(nèi)離子傳遞特性強(qiáng)化途徑研究.pdf

1、燃料電池被譽(yù)為具有前途的新科技之一。離子交換膜是燃料電池的關(guān)鍵部件，其性能直接影響了燃料電池的諸如輸出功率、開路電壓等關(guān)鍵參數(shù)。本研究圍繞離子交換膜的膜內(nèi)離子傳遞行為與離子交換膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系，通過建立模型和理論推導(dǎo)，確定了從離子濃度、離子淌度以及膜內(nèi)通道形貌三個(gè)途徑強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞特性的研究方向，并分別從這三個(gè)途徑提出了強(qiáng)化離子交換膜離子傳導(dǎo)特性的方法，以期為面向應(yīng)用過程質(zhì)子交換膜材料的設(shè)計(jì)提供一定參考。主要研究內(nèi)

2、容及結(jié)論如下：
　　1、提升離子淌度強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞：使用植酸作為磷酸基團(tuán)供體、MIL101為載體制備了復(fù)合材料，對磷酸基團(tuán)進(jìn)行了固定化。該復(fù)合材料顯示出低植酸流失率和高負(fù)載率（11.54 wt％）。將其與Nafion膜雜化，所制備雜化膜較Nafion膜在10.5%濕度下離子傳導(dǎo)率性能提升11倍。失水時(shí)氫鍵網(wǎng)絡(luò)斷裂，離子淌度驟降是導(dǎo)致低濕度下離子傳導(dǎo)率衰減的主要原因。磷酸在低濕度下可通過自解離而構(gòu)建氫鍵網(wǎng)絡(luò)。向膜內(nèi)引入磷酸可有效地

3、促進(jìn)低濕度下膜內(nèi)離子通過跳躍機(jī)理傳遞，維持離子淌度，從而強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞特性。
　　2、提升離子濃度強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞：離子濃度與離子傳導(dǎo)率呈正相關(guān)，提升離子濃度是一種簡易而有效的提升離子傳導(dǎo)率的途徑。通過制備高改性度的咪唑鎓鹽化聚醚醚酮作為高分子基質(zhì)，賦予離子交換膜達(dá)3.15-2.31 mmol g-1的高離子交換容量及1.89-1.80 mmol cm-3的高離子濃度，使離子交換膜具有高達(dá)76.38 mS cm-1的離子傳導(dǎo)率（

4、80℃）。此外，使用磺化聚醚醚酮作為離子交聯(lián)劑，向膜內(nèi)引入強(qiáng)離子相互作用，有效防止了高離子濃度帶來的穩(wěn)定性下降問題。所制備共混膜的機(jī)械性能、物理穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性能和阻醇性能均有顯著提升。
　　3、優(yōu)化通道函數(shù)強(qiáng)化膜內(nèi)離子傳遞：通道是離子傳遞發(fā)生的場所與路徑，通道的特性關(guān)系到膜內(nèi)離子傳遞特性。使用具有籠狀結(jié)構(gòu)的MIL101晶體材料作為膜基質(zhì)，通過負(fù)載咪唑鎓鹽賦予其離子傳導(dǎo)能力。將其壓制成膜，借助其規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，構(gòu)建規(guī)則有序的離子傳