基于聚?；磻挠糜谌剂想姵氐馁|子交換膜的制備及表征.pdf

1、在化石能源過度消耗和環(huán)境氣候等問題日漸嚴重的今天，質子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種高能效低排放的能量轉化技術逐漸成為了人們研究的熱點。質子交換膜(PEM)是PEMFC的重要組成部分之一，在電池的運行中起到傳輸質子、阻隔燃料等十分關鍵的作用。目前商業(yè)化的PEM主要集中在以Nafion膜為主的全氟磺酸型質子交換膜中。全氟磺酸型質子交換膜雖然性能優(yōu)異但是依然存在很多缺點，如造價昂貴等，尤其是在直接甲醇燃料電池(DMFC)的應用中，全氟

2、膜存在較為嚴重的甲醇滲透問題。因此，人們開始致力于研發(fā)各類價格低廉且性能優(yōu)異的可替代材料以取代全氟磺酸膜的地位?；腔埘啺肥腔腔枷阕寰酆衔锏囊活悾渚哂辛己玫某赡ば院蜔岱€(wěn)定性，對甲醇滲透也有著良好的抵抗能力，因此在燃料電池用PEM的研究領域頗受關注。
　　由于聚酰亞胺在后磺化過程中極易分解，目前合成磺化聚酰亞胺的方法主要是磺化單體的直接縮聚法，即通過磺化/非磺化二胺單體及二酐單體直接縮聚而成。這類反應要求溫度很高，并且需要用到

3、的具有強刺激氣味的溶劑-間甲酚。另外，反應的某些原料單體，如側鏈型磺化二胺單體的制備通常需要氨基的保護和脫保護等步驟，過程較為繁瑣。
　　基于上述背景，本文利用了一種新型的基于親電取代機理的離子單體聚酰基化反應體系，成功合成了側鏈型磺化聚酰亞胺質子交換膜，并對聚合物的主鏈結構進行改進，從而改善磺化聚酰亞胺質子交換膜的相關性能。主要內(nèi)容如下:
　　(1)苝基團的π-π共軛可以有效的增強聚合物分子間的作用力從而改善膜的性能。然而

4、由于溶解性不佳，磺化聚苝酰亞胺的研究非常少見。本文首先合成了一種新型苝酰亞胺二芳基單體（PBI-1），后在伊頓試劑-三氟甲磺酸(PPMA-TFSA)作為催化劑和溶劑的條件下，與側鏈磺化型二芳基單體(SBP)、4，4'-二苯醚二甲酸發(fā)生聚酰基化反應得到一系列磺化度不同的磺化聚苝酰亞胺質子交換膜(SPI-x)。整個反應過程， 包括SBP單體的制備都非常的平穩(wěn)溫和、簡單易行，避免了傳統(tǒng)方法的不足，也證明了離子單體聚?；磻谥苽浠腔埘啺?/p>

5、方面的巨大潛力。反應得到的SPI-x系列膜由于柔性側鏈的存在，展現(xiàn)出了與Nafion115相當乃至更高的質子電導率。同時，由于苝環(huán)強π-π共軛作用的存在，SPI-x系列膜也保持了良好的耐溶脹性和耐甲醇滲透性。
　　(2)合成了含有不同碳鏈長度的脂肪鏈型苝酰亞胺二羧基單體(Im-5，Im-10)，后通過聚?；磻c磺化單體SBP進行縮聚得到主鏈含脂肪長鏈的側鏈型磺化聚茈酰亞胺質子交換膜。由于苝結構超強的π-π共軛效應以及脂肪長鏈的

6、促進作用，聚合物分子間自組裝成了一個排列有序的堆疊結構。在這個排列中，脂肪長鏈一端的苝環(huán)肩并肩的相互堆疊，增強了膜的耐溶脹性和耐甲醇滲透性。而脂肪鏈另一端親水的磺酸基團也相互聚集，使得質子的傳輸通道更加貫通。AL-SPI-5和AL-SPI-10都展現(xiàn)出了高于Nafion115的選擇性和優(yōu)異的燃料電池性能。另外，脂肪長鏈的引入提高了酰亞胺氮的電子密度，進而提升了膜的水解穩(wěn)定性。
　　(3)通過磺化二芳基單體SBP，含三氟甲基的二羧基