基于酸堿對(duì)構(gòu)建質(zhì)子傳遞通道及其微環(huán)境優(yōu)化.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新能源，因具有高效、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛關(guān)注，并成為研究熱點(diǎn)。質(zhì)子交換膜(PEM)作為燃料電池的關(guān)鍵組件之一，其質(zhì)子傳導(dǎo)率直接決定著燃料電池的性能。研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)的質(zhì)子傳遞通道和適宜的傳遞位點(diǎn)是質(zhì)子在膜中高效傳遞的基礎(chǔ)。而高縱寬比的一維或二維材料在連續(xù)通道構(gòu)建上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，酸性和堿性基團(tuán)形成的酸堿對(duì)可作為低阻力傳遞位點(diǎn)供質(zhì)子高效傳遞。本論文基于雜化思想，采用物理共混法將改性納

2、米管/片填充到PEM中構(gòu)建連續(xù)質(zhì)子傳遞通道，并向膜內(nèi)引適宜質(zhì)子傳導(dǎo)位點(diǎn)，提高PEM質(zhì)子傳導(dǎo)率。研究膜微觀結(jié)構(gòu)對(duì)質(zhì)子傳導(dǎo)方式和效率的影響規(guī)律，獲得膜傳導(dǎo)過(guò)程強(qiáng)化的方法與理論。具體研究工作如下:
　　(1)埃洛石納米管(HNTs)具有高縱寬比，有利于構(gòu)建連續(xù)的質(zhì)子傳遞通道。本研究在HNTs表面引入富含磺酸基團(tuán)的高分子層，成為磺化埃洛石納米管(SHNTs)，與磺化聚醚醚酮(SPEEK)共混制備雜化膜，并對(duì)膜進(jìn)行表征和測(cè)試，探索質(zhì)子在膜中

3、的傳遞方式和機(jī)理。結(jié)果顯示:在25℃、100％相對(duì)濕度條件下，SPEEK/S4HNT-10膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率為0.0245S/cm，比SPEEK空白膜高61％，表明SHNTs可提高質(zhì)子傳導(dǎo)效率，促進(jìn)質(zhì)子在傳遞通道內(nèi)高效傳遞。
　　(2)受生物粘合機(jī)理啟示，用多巴胺對(duì)HNTs改性，在其表面引入富含胺基和亞氨基的聚多巴胺層，與SPEEK共混制備雜化膜。對(duì)雜化膜進(jìn)行系統(tǒng)表征和測(cè)試，探索質(zhì)子在膜中的傳遞方式和機(jī)理。結(jié)果顯示:在25℃、100％

4、相對(duì)濕度條件下，多巴胺改性埃洛石納米管(DHNTs)的填充量為30％時(shí)，雜化膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)到最大值，為0.018S/cm，表明SPEEK分子的磺酸基團(tuán)與聚多巴胺層的堿性基團(tuán)形成的酸堿對(duì)，在DHNTs表面形成了低阻力的傳遞通道，提高了膜質(zhì)子傳導(dǎo)率。
　　(3)氧化石墨烯(GO)具有高比表面積，有利于構(gòu)建連續(xù)質(zhì)子傳遞通道。本研究在GO表面引入富含磺酸基團(tuán)的高分子層，與殼聚糖(CS)共混制備雜化膜。結(jié)果顯示:CS/S4GO-2膜在25