燃料电池用磺化聚醚醚酮薄膜的研究进展

概述了近几年来燃料电池用磺化聚醚醚酮(SPEEK)质子交换膜的研究进展,分别从聚醚醚酮(PEEK)磺化制备SPEEK、SPEEK薄膜的制备和改性SPEEK薄膜等几个方面总结了SPEEK质子交换膜的研究结果,并分析展望了研究工作的发展趋势.     

DMFC用磺化聚醚醚酮膜的制备及改性研究

用磺化聚醚醚酮(SPEEK)替代传统的Nafion膜制备直接甲醇燃料电池(DMFC)用质子交换膜,能降低甲醇渗透率,提高质子导率,从而提高电池性能。介绍了SPEEK膜的制备方法及其缺点,综述了SPEEK膜有机和无机改性的方法,并提出了SPEEK膜多元改性的新设想。     

交联结构磺化聚醚醚酮质子交换膜的制备与性能EI北大核心CSCD

采用3种具有不同链段长度、分子结构的硅氧烷二胺与磺化聚醚醚酮(SPEEK)反应,制备了3种具有不同交联结构的磺化聚醚醚酮质子交换膜。通过傅里叶变换红外光谱证实了交联结构的存在。通过热重分析仪、万能材料试验机和电化学综合站,研究了不同硅氧烷交联结构对质子交换膜的力学性能、热稳定性、水中尺寸稳定性、甲醇渗透率、可交换阳离子容量和质子传导率等性能的影响。结果表明,交联改性可大幅度提高SPEEK膜的力学性能、阻醇性能以及尺寸稳定性。使用含苯环结构的硅氧烷二胺(PMS)制备的交联结构质子交换膜具有最好的综合性能。相较于SPEEK纯膜,SPEEK/PMS交联质子膜的甲醇渗透系数由2.28×10^(-6) cm^2/s减小到1.89×10^(-7) cm^2/s,有效选择性是纯膜的5.6倍,溶胀比降低了59.7%。     

交联结构磺化聚醚醚酮质子交换膜的制备与性能

采用3种具有不同链段长度、分子结构的硅氧烷二胺与磺化聚醚醚酮(SPEEK)反应,制备了3种具有不同交联结构的磺化聚醚醚酮质子交换膜。通过傅里叶变换红外光谱证实了交联结构的存在。通过热重分析仪、万能材料试验机和电化学综合站,研究了不同硅氧烷交联结构对质子交换膜的力学性能、热稳定性、水中尺寸稳定性、甲醇渗透率、可交换阳离子容量和质子传导率等性能的影响。结果表明,交联改性可大幅度提高SPEEK膜的力学性能、阻醇性能以及尺寸稳定性。使用含苯环结构的硅氧烷二胺(PMS)制备的交联结构质子交换膜具有最好的综合性能。相较于SPEEK纯膜,SPEEK/PMS交联质子膜的甲醇渗透系数由2.28×10~(-6) cm~2/s减小到1.89×10~(-7) cm~2/s,有效选择性是纯膜的5.6倍,溶胀比降低了59.7%。     

DMFC用磺化聚醚醚酮/聚苯胺共混型质子交换膜的研究

磺化聚醚醚酮膜(SPEEK)是直接甲醇燃料电池(DM FC)用质子交换膜的候选材料之一,但是当温度和磺化度(D S)较高时,该膜在甲醇水溶液中溶胀非常严重,甚至溶解,其使用温度受到限制。将磺化度为50.11%的SPEEK和聚苯胺(PAN I)共混制膜,希望利用酸碱之间的相互作用对SPEEK进行改性。研究结果表明,PAN I的加入使SPEEK/PAN I共混膜的使用温度有较大提高,并且该膜还具有较高的电导率和较好的阻醇性能。     

燃料电池用磺化聚醚醚酮质子交换膜的研究

通过浓硫酸磺化法制备了具有不同磺化程度的磺化聚醚醚酮(SPEEK),并对此种质子交换膜进行了物化性能和H2／O2质子交换膜燃料电池性能研究,实验结果表明,SPEEK膜具有较理想的力学稳定性和气体渗透率,它的微观结构和质子传导性能与Nafion膜有所不同,经过其H2／O2质子交换膜燃料电池的性能研究,SPEEK膜能够保证电池在200h内稳定运行,有希望成为PEMFC用质子交换膜材料。     

硅烷偶联剂改性钛酸钡对SPEEK质子交换膜性能的影响

为提高无机填料在聚合物中的分散性,利用硅烷偶联剂KH570对钛酸钡(BT)表面改性.采用溶液浇铸法制备磺化聚醚醚酮(SPEEK)/改性BT(KH570-BT)复合质子交换膜.利用透射电镜观察了改性前后BT在SPEEK基体中的分散情况并系统研究了KH570-BT掺杂量对复合质子交换膜性能的影响.结果显示,与BT相比,KH570-BT的分散性得到明显改善.将KH570-BT掺杂进SPEEK后,复合膜的质子电导率、甲醇渗透率、热稳定性及选择性均出现明显提升.室温下,SPEEK/KH570-BT-1.0复合膜的质子电导率达到63.7 mS/cm,高于同配比的SPEEK/BT-1.0(σ=57.7 mS/cm)和SPEEK(σ=58.6 mS/cm);SPEEK/KH570-BT-1.0的选择性达到20.9×10~4 S·s/cm~3,与SPEEK/BT-1.0(17.2×10~4 S·s/cm~3)和SPEEK(17.7×10~4 S·s/cm~3)相比,分别提升了21.5%和18.1%.     

溶剂对溶液法制备的SPEEK质子交换膜性能的影响

本文在聚醚醚酮(PEEK)磺化反应制备相同磺化度的磺化聚醚醚酮(SPEEK)基础上,采用不同的溶剂通过溶液法制备一系列SPEEK质子交换膜,采取交流阻抗法、扩散池法和溶胀法分别评价其导质子能力、阻醇性能和溶液稳定性,探讨溶剂种类对SPEEK质子交换膜性能的影响规律.试验结果表明溶剂对所制备膜的导质子能力和阻醇性能影响依赖于溶剂分子与SPEEK中磺酸基团的相互作用,若存在越强作用,膜的导质子能力越弱,而阻醇性能越高.此外,溶剂种类对膜的吸水溶胀性能存在较小的影响,对膜表面的微孔形态存在明显的影响,并与膜的导质子能力及阻醇性能存在对应关系.综合比较不同溶剂制备膜的导质子能力、阻醇性能和吸水溶胀性能,DMAc是优于DMF和DMSo的制膜溶剂.     

离子液体在质子交换膜中的应用研究进展

质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心元件之一,以Nafion为代表的全氟磺酸膜的电导率强烈依赖于水含量,而以磺化聚醚醚酮(SPEEK)为代表的磺化芳香族聚合物膜电导率依然有需要改善的空间,这些限制了PEMFC进一步的发展.离子液体具有较高的电导率,优异的热稳定性、电化学稳定性,且不挥发,因此可以替代水在高温下作为质子传递介质,应用于传统质子交换膜性能提升的改性,提高膜的质子电导率和使用温度.文章对近年来离子液体在SPEEK、PS、PBI、PI、PVDF、Nafion等树脂中的应用及质子传递机理进行了综述,阐述了应用中存在的问题及对策,并对研究前景进行了展望.     

磺化聚醚醚酮/蒙脱土复合型质子交换膜制备与性能

以磺化聚醚醚酮(SPEEK)为基体,以有机改性的蒙脱土(OMMT)为无机相,采用溶液插层法成功制备出了可望应用于直接甲醇燃料电池的SPEEK/OMMT复合型质子交换膜.通过X射线衍射(XRD)表征了复合膜的微观结构,并采用交流阻抗和隔膜扩散方法分别考察了复合膜的质子传导性能和阻醇性能.结果表明,蒙脱土的片层间距超过4.4 nm,SPEEK高分子链已插层到蒙脱土片层之间.与纯SPEEK膜相比,SPEEK/OMMT复合膜的质子传导率有所降低,但在90℃也达到了1.2×10-2S/cm的水平,而且蒙脱土的加入明显地降低了SPEEK膜的甲醇渗透率.     

SPPESK/SPEEK共混质子交换膜的制备与性能

以耐溶胀性能较好的磺化聚芳醚砜酮(SPPESK)和吸水性较强的磺化聚醚醚酮(SPEEK)为原料,制备了SPPESK/SPEEK共混质子交换膜。考察了共混膜的水吸收率,水溶胀度,甲醇水溶胀度,甲醇渗透率及质子传导率和力学性能。80℃时,共混膜具有适当的水吸收(101%)和溶胀度(34%),较低的甲醇水溶胀度(20%),较高的质子传导率(0.212 S/cm),与SPPESK膜相比,质子传导率提高了18%。SPEEK的加入改善了共混膜的柔韧性,断裂拉伸应变从16.48%提高到30.43%。     

测试介质对纳米CeO_2改性SPEEK膜质子电导率的影响

采用纳米氧化铈(CeO2)改性磺化度48.3%的磺化聚醚醚酮(SPEEK),通过溶液浇铸法制备用于直接甲醇燃料电池的质子交换膜.在两种介质中测试改性膜的电导率均随温度的升高而增大,与未改性膜相比却大小正好相反:在1 mol/L以盐酸溶液为电解液的测试介质中,改性膜的电导率是未改性膜的15倍,在水蒸气测试介质中,却仅为40%.红外光谱分析表明,CeO2中的铈原子与—SO3H基团中的氧原子发生配位作用.X射线衍射仪(XRD)分析可见,当复合膜浸入1 mol/L盐酸4 h前后,纳米CeO2的晶体结构未见明显变化,表明所发生的配位作用仅处于CeO2和SPEEK两个固相界面上.扫描电子显微镜(SEM)观察改性膜和未改性膜均无网络结构和微相分离,质子在膜内通过—SO3H基团之间的跃迁传导,酸溶液介质远比水蒸气有利于质子在纳米CeO2改性SPEEK膜内磺酸基团之间的跃迁.     

Synthesis,characterization of novel silicotungstic acid incorporated SPEEK/PVA-co-ethylene-based composite membranes for fuel cell

Sulfonated polyether ether ketone (SPEEK) is prepared by the sulfonation of polyether ether ketone (PEEK). Five of the composite membranes (PSW1–PSW5) with various percentage compositions of the SPEEK, PVA-co-ethylene, and silicotungstic acid (SWA) were prepared. The prepared composite membranes were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction (XRD), and thermogravimetric analysis (TGA). Surface morphology of the composite membranes was analyzed using scanning electron microscopy (SEM). Other evaluations related to conductivities (ion exchange capacity, IEC), proton conductivity), absorptivity (water and methanol absorption), durability and mechanical properties (tensile strength and percentage elongation) were also evaluated for the composite membranes. Among the five composite membranes, composite membrane with higher SWA content, PSW5 (which has 10% SWA) showed more conductivity compared to other membranes. These composites also showed very good conductivities, mechanical properties, and durabilities. Hence, these composite membranes have the potential to be used in the development of newer proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs).     

磺化聚醚醚酮与聚砜共混膜导电与传质特性研究

以磺化聚醚醚酮(SPEEK)和聚砜(PSF)为原材料，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，采用溶液共混方法，制备了一系列不同组成的SPEEK与PSF共混膜．研究发现，随PSF含量的增加共混膜的相分离行为加剧，电导率有一定下降，但阻醇性能得到提高．     

SPEEK/SiO2复合型质子交换膜的结构与性能

以磺化聚醚醚酮(SPEEK)为基体,通过溶胶-凝胶法制得了SPEEK/SiO2复合质子交换膜,采用扫描电镜、交流阻抗和热重分析等方法研究了复合膜的结构与性能。结果表明,SiO2与SPEEK之间的共价交联使两相间的相容性得到明显的改善,SiO2粒子以纳米尺寸均匀地分散在聚合物基体中。SiO2粒子的掺入使得复合膜的质子传导性能略有降低,但复合膜中SPEEK-SiO2-SPEEK这种共价交联结构的生成使膜的阻醇性能和溶胀性能得到了明显提高,热稳定性也有所提高。     

直接甲醇燃料电池用磷酸掺杂PAN复合膜的研究

本文研究了聚丙烯腈-磷酸(PAN-xH3PO4)复合质子交换膜的结构、聚合物与酸之间的相互作用、甲醇渗透性能以及质子导电性能。结果表明。PAN-xH3PO4复合膜与Nation膜的甲醇渗透率相差不大。但是比聚丙烯腈膜的甲醇渗透率高两个数量级左右，而且随甲醇浓度增加而增加；PAN-xH3PO4复合膜具有较好的质子导电能力。电导率随频率(时间)的变化很小，其质子导电性能主要依赖于聚合物与酸的相互作用。