基于供体-受体基团的质子传递通道构筑及膜性能强化

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1、基于供体-受体基团的质子传递通道构筑及膜性能强化FabricationofProtonTransportChannelsandIntensificationofMembranePerformanceBasedonDonor-acceptorGroups一级学科：化学工程与技术学科专业：化学工艺研究生：尹永恒指导教师：吴洪教授天津大学化工学院二零一七年三月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也

2、不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：

3、年月日万方数据摘要质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其能量密度高、绿色低噪、启动迅速、易于集成等优势成为最具潜力的新型发电装置之一。质子交换膜（PEM）是PEMFC的核心，其性能指标直接决定燃料电池的输出功率。开发高质子传导率、低燃料渗透率、高稳定性的PEM材料是PEMFC大规模应用的关键。本研究以仿生与生物启发为指导思想，以构筑高效促进质子传递通道为策略，从膜主体、杂化界面、传递通道等多级结构出发，构建新型质子传递位点，协同优化膜内物理微环境和化学微环境，集成调控运载机制和跳跃机制，实现了高温低湿条件下质子传导率的高效强化

4、，并在一定程度上克服了质子传导率和阻醇特性之间的tradeoff效应。主要研究结果如下：供体-受体单基团（磷酸根）构筑高效质子传递通道：（i）将ATP分子通过溶液共混法引入高分子基质内，制备复合膜。大量磷酸根的引入提升了膜的吸水率，并提高了膜的质子传导率；（ii）通过真空辅助法将磷酸分子牢固负载到COF材料孔道内，并将其引入Nafion高分子制备复合膜。磷酸负载的COF增强了质子传递通道的连续性，显著降低了质子传递能垒。Nafion/H3PO4@S1-15复合膜的单电池最大功率密度相比纯Nafion提高了60.3%。供体-受

5、体双基团（酸碱对）构筑高效质子传递通道：（i）将组氨酸修饰的GO引入SPEEK高分子制备杂化膜。二维片层GO和高分子之间形成的酸碱对为质子提供了高效的传递通道，同时显著降低了甲醇渗透率，SPEEK/GO-his-4®的选择性约为纯SPEEK膜的5倍，远远高于Nafion117膜；（ii）制备了三种不同酸碱对修饰的空心介孔硅（HMS），引入Nafion高分子制备杂化膜并研究酸碱对种类对质子传递过程的影响。HMS在膜内起到类似“储水池”的作用，优化了膜内的水环境。HMS外部接枝的氨基酸分子与Nafion上的–SO3H基团、氨基酸

6、分子相互之间形成供体-受体双基团体系，集成优化跳跃机制和运载机制；（iii）利用仿生矿化技术，“一锅法”合成酸碱比例可调的功能化SiO2-TiO2二元纳米颗粒，引入Nafion高分子制备杂化膜并研究酸碱比例对质子传递过程的影响。–SO3H基团与–NH2基团之间协同作用显著提高了质子传导率。Nafion/Si1-Ti2-160杂化膜在80°C、26%RH条件下，其质子传导率相比纯Nafion膜提高了两个数量级。关键词：质子交换膜；传递通道；供体-受体基团；质子传导率；甲醇渗透率万方数据ABSTRACTProtonexchang

7、emembranefuelcell(PEMFC)hasbecomeoneofthemostpromisingnewpowergenerationdevicesduetoitshighenergydensity,environment-friendlyfeature,lownoise,quicklystart-up,easyintegration,etc.AsthekeypartofthePEMFC,protonexchangemembrane(PEM)determinestheoutputpoweroffuelcellsdi

8、rectly.DevelopingPEMmaterialswithhighprotonconductivity,lowfuelpermeabilityandhighstabilityisvitaltothelarge-scaleapplicationofPEMFC.Thisstudyisg