聚乙烯醇膜的阻醇及导电性能研究(Ⅰ)热处理聚乙烯醇膜

直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）中甲醇的穿透问题是阻碍其发展的瓶颈，为提高膜的阻醇性能，采用在渗透蒸发领域广泛使用且具有良好分离效果的聚乙烯醇（PVA）为原料，制备了热处理PVA膜，对其阻醇及质子导电能力进行了研究。PVA膜的阻醇效果较目前在DMFC中广泛使用的Nafion全氟磺酸膜的有明显提高。但其自身不具有质子导电能力。需外加电解质溶液以提高其电导率。     

聚乙烯醇膜的阻醇及导电性能(Ⅱ)戊二醛交联聚乙烯醇膜

为提高直接甲醇燃料电池(DMFC)用膜的阻醇性能，采用在渗透蒸发领域广泛使用且具有良好分离效果的聚乙烯醇(PVA)为主要材料，制备了戊二醛(GA)交联PVA膜，考察了此类膜的阻醇及质子导电能力。PVA(GA)膜的阻醇效果较目前在DMFC中广泛使用的Nation膜有显著提高，但其自身不具有质子导电能力，需外加电解质溶液以提高其电导率。     

季铵化壳聚糖-聚乙烯醇阴离子交换膜的性能

碱性直接甲醇燃料电池(ADMFC)具有电极反应速率高,甲醇渗透率低的优点,阴离子交换膜是ADMFC的核心之一.以壳聚糖(CS)和环氧丙基三甲基氯化铵为原料合成季铵化壳聚糖,将其与聚乙烯醇(PVA)共混后制得一系列不同配比的季铵化壳聚糖(QCS)/聚乙烯醇阴离子交换膜,对膜的导电率和甲醇渗透系数进行了测试和分析.结果表明:季铵化壳聚糖与聚乙烯醇有较好的相容性,所制季铵化壳聚糖(QCS)/聚乙烯醇共混膜结构致密均匀,膜的吸水率和溶胀度随季铵化壳聚糖含量增大而减小,离子导电率随季铵化壳聚糖含量增大而提高,80℃时季铵化壳聚糖含量为60%的共混膜导电率最高可达2.5×10-2 S/cm.膜的甲醇渗透系数低于Nafion膜.     

原位合成法二氧化硅/硅钨酸改性聚乙烯醇质子交换膜的研制

以聚乙烯醇(PVA)为基体,利用原位合成法制备了二氧化硅(SiO2)和硅钨酸(SiWA)微粒在PVA基质中均匀分布的二氧化硅/硅钨酸改性聚乙烯醇(SiO2/SiWA-m-PVA)质子交换膜,利用扫描电镜(SEM)和热重分析仪(TG)分别对膜的形貌及热稳定性进行了表征,四氯化硅与钨酸钠摩尔比对SiO2/SiWA-m-PVA质子交换膜的质子导电性能、阻醇性能的影响.结果表明,四氯化硅与钨酸钠摩尔比为1∶1时,原位合成的二氧化硅和硅钨酸在质子交换膜中分散均匀,在温度低于100℃时SiO2/SiWA-m-PVA膜保水性能好;室温质子电导率为1.48×10-2 S/cm,甲醇渗透率为1.37×10-7 cm2/s,比相同条件下Nafion117膜甲醇渗透率低一个数量级,应用于直接甲醇燃料电池单电池能量密度可达11.82 mW/cm2.     

原位合成法制备磷钨酸掺杂的聚乙烯醇/聚偏氟乙烯质子交换膜及其在直接甲醇燃料电池中的应用

将磷酸和钨酸钠溶于聚乙烯醇(PVA)和聚偏氟乙烯(PVDF)的二甲基亚砜极性有机溶液中,利用原位合成法制备了膜中分布均匀的磷钨酸掺杂的聚乙烯醇/聚偏氟乙烯质子交换膜(PWA-d-PVA/PVDF)。应用多功能材料实验机表征了膜的力学强度,使用交流阻抗谱和气相色谱仪研究了PVDF含量对PWA-d-PVA/PVDF膜的质子导电、溶胀和阻醇等性能的影响。同时通过热重和电镜扫描等方法对膜的热稳定性和形貌进行了表征。结果表明,膜中PVDF含量增大,膜的溶胀度降低,热稳定性提高,强度增大。与Nafion膜的性能相比,PVDF质量分数为20%的PWA-d-PVA/PVDF膜的溶胀度降低了23.8%,甲醇渗透率降低了1个数量级。PWA-d-PVA/PVDF(20%)膜在甲醇浓度为2mol/L时的直接甲醇燃料电池(DMFC)中测得最大功率密度为15.08mW/cm2。     

PVA/PVP共混膜渗透汽化分离甲醇/醋酸甲酯的研究

采用4,4’-双叠氮芪-2,2’-二磺酸钠(DAS)交联的聚乙烯醇(PVA)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共混膜,对渗透汽化分离甲醇/醋酸甲酯混合物进行了研究.考察了交联剂DAS的含量、共混膜的组成、操作温度和料液组成对膜分离性能的影响规律.当DAS与共混膜中PVP质量比为1∶3时,PVP交联效果理想,共混膜具有较好的渗透汽化分离系数.随着共混膜中PVP浓度的增加,膜的渗透通量逐渐增大,而分离系数先增大后减小.当操作温度为35℃、料液中甲醇浓度为20%时,含30%PVP的共混膜对甲醇/醋酸甲酯的分离系数达到了17.7.随着操作温度的升高、料液中甲醇浓度的增大,膜的通量逐渐增大,分离系数逐渐减小.实验结果表明,该共混膜能有效分离甲醇/醋酸甲酯二元共沸物.     

聚乙烯醇/壳聚糖共混膜渗透汽化性能研究

制备了聚乙烯醇(PVA)/壳聚糖(CS)共混膜,用渗透汽化膜技术实现了甲醇/碳酸二甲酯二元共沸物的有效分离,研究了共混组成、操作温度、原料组成对膜分离性能的影响,结果表明,随着共混膜中CS含量的增加,膜的渗透通量增大,分离系数先增大后减小,当共混膜中CS含量为66%时,该膜具有优异的渗透汽化性能,有较大渗透汽化分离指数PSI值=660.8g/(m2.h).操作温度升高,膜的渗透通量增大,分离系数略微减小;随着原料中甲醇含量的增大,膜的渗透通量增大,分离系数减小.该共混膜在分离甲醇/碳酸二甲酯二元共沸物时得到的渗透侧甲醇的浓度远大于对应饱和蒸汽的浓度,表明用膜法渗透汽化分离是优于精馏分离的.     

PVA/SiO_2阴离子交换膜的制备与性能研究

聚乙烯醇(PVA)是一种良好的成膜材料,具有亲水性高、阻醇性好等特点,可用于直接醇类燃料电池。采用正硅酸乙酯(TEOS)作为无机相SiO_2的前驱物,戊二醛作为交联剂,与PVA溶液进行溶胶-凝胶和交联反应,形成醇相-PVA/SiO_2膜和水相-PVA/SiO_2膜。以纯PVA膜为参考,对2种复合膜的微观形貌、热稳定性、含水量、溶胀率、乙醇渗透率和离子导电率等性能进行了考察。结果表明:复合膜中SiO_2有效地掺杂到PVA结构中,具有良好的稳定性,降低了PVA膜的溶胀率,提高了阻醇性和离子导电率。而且,醇相-PVA/SiO_2膜性能优于水相-PVA/SiO_2膜,更适合作为燃料电池中的阴离子交换膜。     

纳米氧化物/Nafion复合膜的制备与性能表征

分别以SiO2、TiO2、Al2O3和ZnO等纳米氧化物为改性剂,采用流延法制得纳米氧化物/Nafion复合膜.XRD和ATR/FT-IR分析表明纳米氧化物在复合膜均匀分散,也没有发生团聚现象.对复合膜的质子传导和阻醇性能进行了测定,结果发现,纳米氧化物/Nafion复合膜具有较好的质子传导性能;阻醇性能均有较大幅度的提高,且以SiO2和TiO2改性的Nafion膜最为明显,甲醇透过系数分别从约10降低到约10-7和10-8数量级.这说明纳米氧化物/Nafion复合膜是一类较好的直接甲醇燃料电池用质子交换膜材料.     

丙烯酸-丙烯酰胺共聚物渗透汽化分离性能研究

将丙烯酸 (AA) -丙烯酰胺 (AM)共聚物与聚乙烯醇 (PVA)共混制得优先透水的渗透汽化膜用于分离 4 0 %～ 95%的乙醇水溶液 ,研究了膜的热处理温度、分离温度、共聚单体摩尔比、制膜液 p H值等因素对膜分离性能的影响。当用 AA∶ AM=1∶ 1(mol)的共聚物与 PVA等质量共混 ,制膜液 p H=7,制得的膜经 16 0℃热处理后用于分离 95%的乙醇水溶液 ,其分离系数和透过速率分别为 PVA膜的 1.3倍和 8倍     

Self‐Healing Proton‐Exchange Membranes Composed of Nafion–Poly(vinyl alcohol) Complexes for Durable Direct Methanol Fuel Cells

Proton‐exchange membranes (PEMs) that can heal mechanical damage to restore original functions are important for the fabrication of durable and reliable direct methanol fuel cells (DMFCs). The fabrication of healable PEMs that exhibit satisfactory mechanical stability, enhanced proton conductivity, and suppressed methanol permeability via hydrogen‐bonding complexation between Nafion and poly(vinyl alcohol) (PVA) followed by postmodification with 4‐carboxybenzaldehyde (CBA) molecules is presented. Compared with pure Nafion, the CBA/Nafion–PVA membranes exhibit enhanced mechanical properties with an ultimate tensile strength of ≈20.3 MPa and strain of ≈380%. The CBA/Nafion–PVA membrane shows a proton conductivity of 0.11 S cm^?1 at 80 °C, which is 1.2‐fold higher than that of a Nafion membrane. The incorporated PVA gives the CBA/Nafion–PVA membranes excellent proton conductivity and methanol resistance. The resulting CBA/Nafion–PVA membranes are capable of healing mechanical damage of several tens of micrometers in size and restoring their original proton conductivity and methanol resistance under the working conditions of DMFCs. The healing property originates from the reversibility of hydrogen‐bonding interactions between Nafion and CBA‐modified PVA and the high chain mobility of Nafion and CBA‐modified PVA.     

Separation of IPA/water mixtures by pervaporation: sorption and pervaporation results

Homogeneous membranes were prepared by blending polyvinyl alcohol (PVA) with polyacrylic acid (PAA) and furthermore the blend membrane is cross-linked covalently through an ester linkage formation between a hydroxyl group of PVA and carboxyl group of PAA. These membranes were evaluated for separation of azeotropic isopropyl alcohol (IPA)/water mixtures by pervaporation, that is, a vacuum applying membrane process. The overall and preferential sorption of IPA/water mixtures in cross-linked membranes were determined to investigate the influence of PVA/PAA ratio and of liquid mixture composition. Pervaporation characteristics were also determined as a function of PVA/PAA ratio and of the feed mixture composition. With increasing PAA content in the membranes, solubilities and fluxes decreased and selectivities increased. Because of polarity, water permeated preferentially through the membranes. Sorption results showed the same tendency as pervaporation results.     

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%。     

PVA-PWA-Al2O3无机-有机复合质子交换膜的研究

以聚乙烯醇(PVA)、磷钨酸(PWA)和氧化铝(Al2O3)溶胶为原料,制备得到PVA-PWA-Al2O3无机-有机复合质子交换膜,测定了膜的电导率、含水率、溶胀度和甲醇透过系数等性质.测试结果表明,该复合膜具有较高的导电率和较好的阻醇效果,室温下测得电导率最高达到1.162 S/cm,甲醇透过系数在10-7cm2/s左右.复合膜中PWA含量增加,膜的电导率、含水率、溶胀度和甲醇透过系数都有所上升;膜中Al2O3含量增加,膜的电导率、含水率、溶胀度提高,但甲醇渗透系数稍有下降.     

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。     

磺化聚芳醚酮砜/PVA复合质子交换膜的制备与性能

为了进一步提高质子交换膜在中高温时的质子导电率,文中以高磺化度的磺化聚芳醚酮砜(SPAEKS)和聚乙烯醇(PVA)为原料,通过溶液共混法制备了PVA不同含量的磺化聚芳醚酮砜/PVA复合膜。通过对复合膜的性能测试发现,PVA的引入提高了膜的热稳定性、吸水率和保水能力。而且SPAEKS/PVA复合膜的质子传导率高于SPAEKS膜,在80℃时,复合膜的质子传导率都在0.07 S/cm以上,能够满足中高温质子交换膜燃料电池的使用要求。     

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。     

磺化聚酰亚胺/SiO2复合膜的制备及其质子交换性能研究

制备了具有不同硅含量的磺化聚酰亚胺/二氧化硅(SPI/SiO2)复合膜,研究了SiO2的引入对复合膜的力学性能、耐热性能、尺寸稳定性以及抗氧化和耐水解稳定性的影响规律,并对其质子传导率和甲醇渗透率进行了评价。结果表明,与商业化的Nafion115膜相比,复合膜表现出更优异的阻醇特性和选择透过性,其中SPI/SiO2-2复合膜具有更突出的高温质子传导特性。     

聚乳酸/聚乙烯醇共混膜的制备

基于流延法和溶剂蒸发技术,以聚乳酸(PLA)和聚乙烯醇(PVA)为原料,制备可降解PLA/PVA共混膜。通过考察不同的共溶剂对共混膜成膜性能的影响,确定二甲基亚砜(DM SO)是制备PLA/PVA共混膜优良的共溶剂。研究PLA与PVA配比对PLA/PVA共混膜性能的影响,探索PLA与PVA分子链在共混膜中的结合状况。结果表明,当PLA的含量低于20%时,可以得到均质的PLA/PVA共混膜,且PLA与PVA分子链间以氢键结合。此外,在共混过程中,PLA与PVA的结晶均受到一定的破坏,结晶度比纯PLA与PVA下降。