pvdf聚合物电解质膜电化学氢气传感器研制

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1、内蒙古科技大学硕士学位论文摘要电化学气体传感器由于具有检测气体种类多、浓度范围宽、体积小、价格低、测量精度高、可用于现场直接检测等优点，在环境监测与安全生产等领域中得到广泛应用。但这类传感器也存在着一定的问题，即使用寿命较短。为了解决这个问题，同时也为适应一些特殊行业对气体传感器体积的要求，人们将研究重点集中到固体电解质上，希望能延长传感器的使用寿命并实现其微型化。目前，利用固体高聚物电解质(SPE)研制电化学传感器已成为电化学气体传感器研究的国际热点。本文以具有优良物理化学性质的聚偏氟乙烯(PVDF)为膜材料，采用流延法制备SPE。为避免加入固体无机物产生颗粒团聚

2、，采用向PVDF中掺杂液体SiCl4和H3PO4无机保水材料提高膜的保水性和导电性。通过研究掺杂物加入量、制膜烘干温度和保温时间对膜性能的影响，摸索出性能良好聚合物膜的制备条件：烘干o温度70C，保温时间2h。用X-射线衍射、红外光谱分析法、扫描电镜等分析PVDF质子交换膜结构及形貌特征，结果表明掺杂的无机物在PVDF晶体内形成均匀贯穿的质子传导通道。制备的聚合物膜保水性和电导率均高于Nafion117，膜的机械性能良好，从制膜成本、膜的导电性、膜的机械性能和膜的保水性等综合性能考虑，这种新型PVDF质子交换膜极有可能成为Nafion膜的优良替代膜。选取电导率高（S

3、iCl4掺入量为20%，H3PO4掺入量为30%，室温电导率-10.0277S·cm）、综合性能良好的聚合物膜作为传感器的电解质，组装室温全固态电化学H2传感器。通过实验确定工作条件后，对传感器的性能进行测试。以铂为催化剂，采用气体扩散电极，在恒电位0.1V下，流速为238ml/min，氢气浓度在14-508ppm的范围内能保持非常好的线性关系，传感器的响应时间和回复时间分别为42s和65s，传感器性能稳定，灵敏度高和重现性良好，为研制出小型化、长寿命的传感器开拓了一条可行之路。关键词：聚偏氟乙烯（PVDF）；流延法；聚合物质子交换膜；电化学气体传感器1内蒙古科技大

4、学硕士学位论文AbsractElectrochemicalgassensorshaveawidelyapplicationinthefieldofenvironmentalandsafetyproductionduetoitssmallvolume,lowpriceandhighaccuracy.Itcandetectlargevarietyofgaseswithbride-rangedirectlyin-situ.Butthiskindofsensorhasashortlifeinpracticaluse.Tosolvethisproblemandatthesam

5、etime,tosatisfytherequireofsmallersensor'svolumeinsomespecialfields,theyareprovidedbyscienceresearchers;anditmaybehelpfultolengthensensor'slifeandmakeitsmaller.Recently,thereisanincreasinginterestinthestudyofelectrochemicalgassensorsusingSPE.Inthisthesis,polymerprotonexchangemembraneis

6、preparedbyusingcastingmethod,basedonpoly(vinylidenefluoride)whichhasexcellentphysicalandchemicalproperties.Toavoidparticlesreunionbydirectlydopinginorganic,PVDFSPEisdopedliquidSiCl4andH3PO4toimprovewaterretentionandconductivity.Bystudyingtheamountofdoping,themembranedryingtemperaturean

7、dholdingtime,theresultsshowothatbestpreparationconditionsaredryingtemperature70Candholdingtime2h.PVDFprotonexchangemembranearecharacterizedbyusingXRD、IRandSEM;theresultsshowthattheprotonconductionchannelsareformedthroughoutthewholePVDFmembrane.Retentionandconductivityofthepolymermemb