离子液体填充质子交换膜的制备及性能研究

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1、AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterPreparationandCharacterizationofTheProtonExchangeMembraneIncorporatedbyIonicLiquidsByTaoZhangSupervisor：Prof．HaoqinZhangA．P．JingtaoWangChemicalTechnologySchoolofChemicalEngineeringandEnergyMay,20

2、14原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：日期：年月日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借

3、阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：日期：年月日摘要质子交换膜燃料电池(Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)是一种绿色、高效的新能源，质子交换膜(Protonexchangemembrane，PEM)是PEMFC的核心部件。目前

4、，开发高温低湿下具有高传导的质子交换膜是燃料电池研究的热点和难点。离子液体(Ionicliquid，IL)由于具有不挥发、液程范围大、稳定性好及电导率高等优点而成为理想的高温无水质子导体。本课题将离子液体填充到膜基质中制备高温低湿下具有高性能的PEM。研究通过改变反应时间合成磺化度(DS)可控的磺化聚醚醚酮(SPEEK)，分别采用浸泡法和原位法将离子液体填充到SPEEK基质中制各复合质子交换膜。通过SEM、FTIR、SAXS、XRD、TGA、溶胀测试、质子传导率测试、拉伸测试和流失实验等进行全面表征

5、测试，系统研究了基膜结构、填充方式及条件对离子液体填充效果的影响及规律，考察了膜结构及填充量对质子传导率的影响规律。主要研究内容和结论如下：(1)采用流延法制各不同磺化度的SPEEK基膜，研究磺化度对膜结构的影响和规律。研究发现，膜内离子簇通道尺寸和质子传导率随基膜磺化度的增大而变大，如RH=100％、25℃的条件下，sP．43、SP．54、SP一62和SP．75的质子传导率分别为11．1、14．3、23．5和32．3mS／cm；SPEEK膜在260℃前的质量损失低于9％，表明其具有良好的若稳定性，

6、有作为高温PEM的潜力。(2)采用原位法制备复合膜，重点研究离子液体对膜结构的影响规律。对比分析填充方式对复合膜结构与性能的影响。研究发现，离子液体的加入可提高复合膜的质子传导能力，如140。C时当离子液体的填充量分别为16％、25％、32％及43％时，质子传导率从纯SPEEK的10刁mS／cm提高到3．6，4．6，6．1及8．5mS／cm。(3)浸泡法制备复合膜过程中，通过改变超声功率、温度与时间等条件调控离子液体在膜内的填充量。重点研究离子液体对复合膜结构的影响规律，探讨填充条件对膜内离子液体填

7、充量的影响及规律。研究发现，超声处理对提高膜内离子液体填充量效果有限，而调控浸泡温度和时间可有效控制膜中离子液体的填充量；复合膜的质子传导能力随离子液体填充量的增加而增强，如140℃时填充量分别为16％、25％、32％及43％的复合膜，其质子传导率从纯SPEEK的10dmS／cm增至5．2、6．1、7．4及9．3mS／cm，数值提高了1000倍以上。摘要(4)通过对浸泡膜和原位膜的质子传导率、结构及性能对比，结果显示二者的热性能相近，但浸泡膜具有更好的抗溶胀性能、机械性能及质子传导能力，如140℃时

8、，离子液体填充量为16％的浸泡膜和原位膜的质子传导率分别为6．2和4．3mS／cm。关键词：磺化聚醚醚酮离子液体复合膜质子传导率膜结构ⅡAbstractProtonexchangemembrane(PEM)isthecorecomponentofprotonexchangemembranefuelcell(PEMFC)whichisa11environmentalfriendlyandeffectivepowersource．Atpresent,thedevelopm