基于新型無機材料的雜化膜制備及其質子傳導性能研究.pdf

1、隨著能源資源短缺和環(huán)境污染問題的日益加劇，開發(fā)新型清潔能源技術已經成為21世紀的重要議題。質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC），是一種將燃料的化學能經過化學反應直接轉化為電能的能源裝置，因具有轉化效率高、綠色無污染等特點，被視為一種極具發(fā)展前景的清潔能源技術。質子交換膜（Proton exchange membrane,PEM）是PEMFC的核心部件之一，其性能高低直接決

2、定了燃料電池的工作性能。目前商業(yè)化的PEM主要為全氟磺酸類聚合物膜，這類膜具有較高的質子傳導能力和優(yōu)異的結構穩(wěn)定性，但是其燃料滲透嚴重，且在高溫低濕條件下質子傳導能力急劇下降，導致電池性能衰減。因此，亟需開發(fā)出新型高性能的PEM以促進燃料電池技術的進一步發(fā)展和商業(yè)化應用。
　　本文結合有機和無機質子傳導性材料的各自優(yōu)勢，基于雜化思想，通過向高分子聚合物膜基質中引入新型的無機質子導體材料（如功能化改性的鋰離子篩或MXene等），制備

3、有機無機雜化質子交換膜。通過向聚合物膜中引入新的質子傳遞位點，同時借助于在兩相界面處位點的協(xié)同效應，強化雜化膜的質子傳導能力，并探究雜化膜界面相互作用對聚合物鏈段運動性質和質子傳遞化學環(huán)境的影響，初步獲得雜化膜質子傳導過程強化的方法與理論，為拓展相關無機材料的應用研究提供新思路。具體研究內容和主要結論概述如下：
　　（1）基于表面改性的鋰離子篩制備雜化膜。酸處理的尖晶石結構鋰離子篩（HMOs）內部具有可供質子傳輸?shù)奶囟ㄟx擇性通道。

4、首先選取HMOs作為質子傳導性無機材料，通過表面改性引入磺酸基團合成SHMOs，而后將其加入聚合物基質(CS)中制備雜化膜。利用SHMOs內部的H+傳輸通道和兩相界面處酸-堿對載體位點形成的雙連續(xù)質子傳導路徑，增強膜的質子傳導能力。結果表明：在25℃和有水條件下，填充12％磺酸聚合物刷改性的HMOs雜化膜的質子傳導率相比于CS提高了91%。
　　（2）基于二維Ti3C2Tx材料制備雜化膜。MXene是一類新型二維過渡金屬碳化物或碳

5、氮化物，具有類似于石墨烯的納米片層結構，表面含有豐富的終端功能基團（–OH，–F和–O–）。本研究選取Ti3C2Tx作為MXene的典型代表材料，將其填充到常規(guī)聚合物基質（包括Nafion，SPEEK和CS）中，通過流延法制備雜化膜。利用 Ti3C2Tx表面的羥基與高分子鏈段上的磺酸基或氨基形成豐富的氫鍵網絡，在兩相界面處構建出長程連續(xù)的質子傳遞通道，提高雜化膜的質子傳導能力。結果顯示，在有水和無水條件下，相比于三種類型的聚合物空白膜而

6、言，相應的雜化膜的質子傳導率均得到顯著提升，同時，呈現(xiàn)出增強的氫氧燃料電池性能。
　　（3）基于表面改性的Ti3C2Tx制備雜化膜。在上述研究的基礎上，通過沉淀蒸餾共聚合的方法，在Ti3C2Tx表面接枝富含磺酸基團的聚合物刷，制備得到Ti3C2Tx-SO3H，而后將其填充到聚合物基質（包括SPEEK和CS）中制備雜化膜。Ti3C2Tx-SO3H能夠向雜化膜內部引入高效質子跳躍位點，同時構建出長程連續(xù)的寬暢質子傳遞通道，顯著提升膜的