磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜的性能研究.pdf

1、本論文的目標(biāo)在于制備具有較高質(zhì)子電導(dǎo)率和良好物理性能的磺化聚醚砜(SPES)膜，探討其應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池的可能性。論文從探討膜的制備過程，分析SPES膜的結(jié)構(gòu)和性能以及平衡SPES膜的綜合性能等幾個方面進行展開。 對不同鑄膜溶劑對膜形態(tài)和性能的影響進行了探討。N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)為磺化芳香聚合物鑄膜的常用溶劑。本論文選用上述三種溶劑對

2、磺化度(DS)為0.27的SPES樣品在相同的條件下鑄膜。<'1>H NMR表明殘留溶劑DMF和在鑄膜過程中DMF分解生成的二甲基胺與SPES磺酸基團之間發(fā)生了強烈的氫鍵作用，這種相互作用降低了膜的親水性能和電導(dǎo)率。不同溶劑制備的SPES膜的表面微觀形態(tài)不同，其主要由聚合物的沸點和溶劑與聚合物之間的相互作用決定。與由NMP制備的膜相比，DMAc制備的膜表面呈現(xiàn)了更為連續(xù)的親水離子簇形態(tài)。DMAc制備的膜的電導(dǎo)率較其他兩種膜高，這與溶劑與

3、聚合物之間的相互作用有關(guān)，也與不同膜中微觀形態(tài)中親水相連接程度相關(guān)。DMF不適合作為鑄膜溶劑，特別是不適合磺化芳香聚合物且需要升溫除去溶劑的過程。 選用DMAc為鑄膜溶劑制備了一系列不同磺化度的SPES膜。SPES膜的表面微觀結(jié)構(gòu)為由磺酸基團聚集而成的離子簇形成的親水相和聚合物骨架形成的憎水相構(gòu)成。SPES體系在磺化度小于0.39前吸水率線性增加，然后突增。結(jié)合原子力顯微鏡和吸水率分析可以推斷SPES體系在磺化度為～0.39左右

4、形成了逾滲結(jié)構(gòu)。膜的尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)性能和抗氧化性能在逾滲結(jié)構(gòu)形成之后顯著降低，但甲醇滲透率和電導(dǎo)率迅速增加。當(dāng)DS達到0.39時，SPES膜的電導(dǎo)率與Nafion 112相當(dāng)，但是膜的甲醇滲透率顯著低于Nafion 112。DS 為 0.39的SPES膜具有最大的選擇性系數(shù)，且DS大于0.30的SPES 膜的選擇性系數(shù)均高于Nafion 112膜，表明SPES膜應(yīng)用于直接甲醇燃料電池將具有一定的優(yōu)勢。 選擇一種簡單但有效的方法