燃料电池用咪唑化聚醚醚酮阴离子交换膜的制备与研究

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1、分类号：TB34单位代码：10190研究生学号：201506015密级：公开硕士学位论文李名卉2018年6月燃料电池用咪唑化聚醚醚酮阴离子交换膜的制备与研究PreparationandStudyofImidazoleGraftedPolyetheretherketoneAnionExchangeMembranesforFuelCells硕士研究生：李名卉导师：王哲教授申请学位：理学硕士学科：高分子化学与物理所在单位：化学工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：长春工业大学摘要摘要近年来，碱性燃料电池（AFC）

2、的发展受到了广泛关注。一方面是因为非贵金属-银和镍等可用作AFC的催化剂，使燃料电池装置的成本降低。另一方面是因为OH传递方向与燃料的渗透方向相反，降低了燃料的渗透率。其中阴离子交换膜（AEM）作为AFC中重要组成部分而被广泛研究。AEM主要由两部分构成：功能基团和高分子主链。在AEM中的功能基团均为阳离子基团，如季铵，咪唑，胍和鏻等基团。其中季铵基团和咪唑基团是最常用的阳离子基团。研究人员研究发现，咪唑基团接枝型AEM比季铵基团接枝型AEM具有更好的综合性能。但是，由于咪唑基团具有强的亲水性，当咪唑基团在膜中含量

3、过高时，膜会过度膨胀，从而降低膜的尺寸稳定性。为了解决这个问题我们做了一系列的研究。首先，我们采用的聚合物主链是聚醚醚酮（PEEK）。并且引入了一种带有双键的咪唑基团：1-乙烯基咪唑。制备了两种不同的AEM：交联膜（CIM-PEEK）和不交联的膜（NCIM-PEEK），并对两种膜进行了性能测试分析。分析结果表明，CIM-PEEK膜具有很低的溶胀率，较好的耐碱性。而NCIM-PEEK膜具有更高的离子传导率和吸水率等，两种膜均有良好的机械性能和热稳定性。在本研究中，通过4,4'-二氟苯甲酮和甲基氢醌的缩聚合成一种含甲基

4、侧基的聚醚醚酮（PEEK）共聚物。选择溴化聚醚醚酮（BPEEK）与功能试剂1-甲基咪唑和1-乙烯基咪唑直接反应，得到含有不同咪唑基团的聚醚醚酮阴离子交换膜。随着1-乙烯基咪唑含量的增加，80℃时溶胀率由36.29％降至8.52％。随着1-甲基咪唑含量的增-2-1-2-1加，离子电导率从5.15×10Scm增加到7.12×10Scm，80℃时吸水率从12.57％增加到17.19％。2M氢氧化钠溶液在60℃保持500h后初始电导率仍保持在80.15％。总体而言，适当的交联有利于提高膜的综合性能。关键词：阴离子交换膜聚醚

5、醚酮1-乙烯基咪唑1-甲基咪唑交联膜I目录AbstractInrecentyears,ThedevelopmentofAlkalineFuelCell(AFC)hasreceivedwidespreadattention.Ontheonehand,non-noblemetalscanbeusedascatalystsinAFC,suchassilverandnickelwhichreducedthecostoffuelcelldevices.Ontheotherhand,-SincetheOHtransferdir

6、ectionisoppositetothedirectionofpenetrationofthefuel,thefuelpermeabilityisreduced.Anionexchangemembrane(AEM)hasbeenwidelystudiedasanimportantpartofAFC.AEMismainlycomposedoftwoparts:functionalgroupandpolymermainchain.AllfunctionalgroupsinAEMarecationicgroups,su

7、chasquaternaryammonium,imidazolium,guanidiniumandphosphonium.Quaternaryammoniumgroupandimidazoliumgrouparethemostcommonlyusedcationicgroup.Theresearchersfoundthatimidazole-typeanionexchangemembranehasbetterperformance.However,duetoitsstronghydrophilicity,theme

8、mbranewillbeexcessivelyexpandedwhentheimidazolegroupcontentistoohighinthemembrane,therebyreducingthedimensionalstabilityofthemembrane.Wedidaseriesofstudiesinordertosolvethisproblem