聚乙二醇/磺化聚苯醚质子交换膜的制备与性能研究

采用溶液共混浇铸法制备了一系列的聚乙二醇/磺化聚苯醚(PEG/SPPO)共混膜SPPO的红外光谱图显示了磺酸基团的成功引入;X-射线衍射图表明,加入柔性的聚乙二醇,SPPO的有序程度降低;膜的离子交换容量(IEC值)、质子传导率和吸水率等理化性能结果表明:PEG/SPPO共混膜的质子传导率和离子交换容量虽然较纯SPPO膜有所下降,但是最大也分别达到了1.80mequiv.g-1和0.061S/cm(PEG/SPPO=10/90,90℃),仍然可以满足质子交换膜的使用要求,而复合膜的吸水率和溶胀率较SPPO膜大幅降低。整体来说,复合膜的各项综合性质良好,有望应用于直接甲醇燃料电池。     

氧化石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷星型嵌段共聚物复合质子交换膜的制备与性能

通过共混的方法制备了含笼型聚倍半硅氧烷(POSS)星型拓扑结构嵌段共聚物的氧化石墨烯(GO)/笼型聚倍半硅氧烷-(聚甲基丙烯酸甲酯-共聚-磺化聚苯乙烯)(POSS-(PMMA₂₆-b-SPS₁₅₆)₈)复合质子交换膜。通过研究复合质子交换膜的离子交换容量(IEC)、质子传导率、吸水率与溶胀率,考察了GO含量对复合质子交换膜性能的影响。研究发现:复合质子交换膜的离子交换容量随GO含量的增加而升高,吸水率和溶胀率随着GO加入而降低,在测定温度范围内复合质子交换膜均表现出较高的尺寸稳定性,GO的添加改善了纯聚合物膜在80℃失水导致传导率下降的问题,提高了质子交换膜的质子传导率,发现在相对湿度为100%、80℃时,GO含量为0.3wt%的复合质子交换膜的质子传导率约为纯聚合物膜的3.2倍。      

基于咪唑类离子液体含氟阴离子的调控制备高质子传导率的OPBI共混膜

磷酸掺杂聚苯并咪唑(PA-PBI)被认为是最具发展潜力的高温质子交换膜材料之一,但如何制备出高质子传导率的膜材料,仍是PA-PBI高温质子交换膜所面临的挑战性难题.本文通过烷基化反应、离子交换反应,合成了阴离子为PF₆^-和BF₄^-的两种咪唑类离子液体([ViEtIm]PF₆、[ViEtIm]BF₄),通过与芳醚型聚苯并咪唑(OPBI)共混并采用流延法制备了[ViEtIm]PF₆/OPBI和[ViEtIm]BF₄/OPBI膜,进一步通过红外光谱、热重分析和SEM表征验证了离子液体与OPBI共混膜结构.对共混膜进行高温质子交换膜性能研究,结果表明,[ViEtIm]PF₆/OPBI膜综合性能优于[ViEtIm]BF₄/OPBI膜及原OPBI膜,特别是在质子传导率方面,[ViEtIm]PF₆/OPBI膜的质子传导率高达37.6 mS/cm,分别是[ViEt...     

纳米SiO2/SPFEK复合质子交换膜的制备及性能

以自制的磺化聚芴醚酮和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶凝胶(Sol-gel)法合成了掺杂纳米SiO2的复合质子交换膜,利用能量分散谱(EDS)线扫描、热失重分析法、扫描电镜对膜的结构、热稳定性、微观形态进行了表征。并考察了质子交换膜的各种性能。结果表明,纳米SiO2能提高膜的质子传导率和氧化稳定性能。当SiO2掺杂质量分数为9%时,复合膜的质子传导率在80℃时为5.96×10-2(S/cm),在80℃的Fenton’s试剂(3%的过氧化氢和2 mg/L的FeSO4)中进行氧化稳定性测试,膜在117 min时才开始碎裂,表现出良好的氧化稳定性。     

聚偏氟乙烯-磺化聚苯乙烯质子交换膜的制备与表征

采用热诱导溶液聚合和相转移技术,制备了新型聚偏氟乙烯-磺化聚苯乙烯(PVDF-SPS)质子交换膜。采用X射线衍射光电子能谱(XPS)、环境扫描电镜(ESEM)和红外光谱(FT-IR)对PVDF-SPS质子交换膜进行了表征,研究了质子膜的吸水率、质子传导率和甲醇渗透系数。结果表明,PVDF-SPS质子膜具有优良的亲水性能,较高的质子传导率和较低的甲醇渗透系数。PVDF-SPS质子交换膜在25℃的质子传导率和甲醇渗透系数分别为2.93×10-2S/cm和8.61×10-8cm2/s,其质子传导率与甲醇渗透系数比值为3.40×105S.s/cm3,超过Nafion-117膜的20倍。     

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%。     

磷酸掺杂bSPEEK-OPBI共混质子交换膜的制备及性能

为改善磷酸-聚苯并咪唑(PA-PBI)质子交换膜在燃料电池运行过程中磷酸浸出的问题以及进一步提高其质子传导率和机械强度,本文用高磺化度支链磺化聚醚醚酮(bSPEEK)与芳醚型聚苯并咪唑(OPBI)进行酸碱共混,利用流延法制备磷酸掺杂质子交换膜.结果 表明,共混膜中bSPEEK最佳含量为30％,共混膜的体积溶胀率降低26...     

SPPO/SiO2/PWA复合质子交换膜的制备及性能

利用溶胶-凝胶法制备出了SPPO/SiO2/PWA复合质子交换膜,对膜的离子交换容量(IEC)、平均当量重量(EW)、磺化度(SD)、吸水性、溶胀率、质子电导率、Tg进行了表征,此外,还对膜的结构进行了FT-IR、SEM表征,结果表明,所制得的掺杂2%～5%SiO2和3%PWA的SPPO复合膜在100℃、100%相对湿度时的质子电导率与Nafion-117?膜相近,有望作为质子交换膜使用。     

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。     

SPES-C/MIL-53(Al)-SO3H杂化质子交换膜的制备和性能

用水热合成法制备MIL-53(Al),然后用后磺化法在其笼状结构中引入磺酸基团得到MIL-53(Al)-SO₃H纳米级金属有机框架(MOF)多孔晶体材料,最后将MIL-53(Al)-SO₃H掺杂到磺化酚酞侧基聚芳醚砜(SPES-C)高分子相中制备出一系列SPES-C/MIL-53(Al)-SO₃H燃料电池用杂化质子交换膜(PEM)。扫描电镜观测结果表明,杂化质子交换膜内没有缺陷,MIL-53(Al)-SO₃H在膜内分散均匀且两相的相容性好。热重分析结果证实,杂化膜具有优良的热稳定性。MIL-53(Al)-SO₃H的加入,提高了杂化膜的吸水率、尺寸稳定性和质子传导率。在温度为80℃时填充量为5%（质量分数）的杂化膜其M-5的质子传导率达到0.15 S·cm^-1,比纯SPES-C膜提高了32.5%且优于商用Nafion膜的质子传导率(0.134 S·cm^-1)。     

质子交换膜用部分含氟磺化聚芳醚的合成与性能研究

通过直接磺化的方法,合成了一种部分含氟的磺化聚芳醚.由于特殊单体结构的设计,在聚合物主链上引入甲基取代基,对聚合物主链进行保护.用氯磺酸直接磺化方法在聚芳醚侧基上引入磺酸功能基,实现了聚合物磺化结构的可控定位合成,得到了稳定性较好的磺化聚芳醚.用溶液浇膜法制备了质子交换膜,研究了膜的各种性能.这种膜具有较高的导电性、吸水性和好的抗水解性、热稳定性.由于特殊结构的设计和部分氟的引入,这种膜的抗氧化性有显著的提高.     

Synthesis and characterization of sulfonated poly(ether imide) membranes using thermo-analysis and dialysis process

Polyimides have been investigated as alternative materials to commercial membranes, once these polymers present high thermal, chemical, and mechanical performances. This work has modified poly(ether imide), PEI, by sulfonation reaction using acetyl sulfate as sulfonating agent. Sulfonated PEI (SPEI) films were characterized by infrared spectroscopy, ion exchange capacity (IEC), glass transition temperature (Tg), and proton diffusivity. The influence of degree of sulfonation on IEC, Tg, and proton diffusivity can be observed. SPEI membranes have presented proton diffusivity lower than that obtained with a commercial sulfonated membrane (Nafion). This result was related to low degree of sulfonation and low chain mobility of the obtained SPEI.     

一种新型的磺化聚芳醚酮质子交换膜材料

利用先聚合后磺化的方法合成了一种新型磺化聚芳醚酮,FTIR和HNMR结构表征表明,其磺酸基只连在悬挂侧链上.利用浇铸法将该材料制备成膜,对膜的离子交换容量(IEC)、平均当量重量(EW)、磺化度(SD)、吸水性、线性膨胀率及其电导率进行了表征,结果表明这种膜材料具有良好的吸水性和较低的线性溶胀率,所制得的膜在100℃、100%相对湿度时的质子电导率与Nafion-117~(R)膜相近,有望作为质子交换膜使用.     

基于巯基改性磺化海泡石与聚(2,5-苯并咪唑)原位复合的宽温域用质子交换膜

天然海泡石经微波辅助酸活化和巯基偶联剂改性得到磺化海泡石,然后原位合成制备燃料电池宽温域用聚(2,5-苯并咪唑)/磺化海泡石(ABPBI/S-Sep)复合质子交换膜。研究了海泡石改性前后结构变化,以及S-Sep粒子的加入对复合膜的微观形貌、结构、力学性能、吸水固酸能力以及高、低温下质子传导性能的影响。研究发现,海泡石粒子经微波辅助酸活化处理后产生了解纤维化,磺化改性提高了其与聚合物相容性;S-Sep纤维状粒子均匀分散在ABPBI基体中可诱导聚合物分子链取向排列,从而提高复合膜的力学性能,其特有的纳米通道结构及高比表面积显著提高了复合膜的吸水率和固酸能力。在相似磷酸(PA)掺杂水平下,复合膜在40～180℃宽温域下的质子传导率和峰值功率密度均高于ABPBI膜,并且磷酸掺杂水平为1.85的复合膜在90℃以下,60%和98%RH时质子传导性能以及80℃、0%RH时单电池性能均与Nafion 212相当,表明低磷酸掺杂水平下的S-Sep改性ABPBI复合膜具备从低温到高温且不控制湿度的宽温域使用优势,可拓展基于PA掺杂聚苯并咪唑类膜材料的使用温度范围。     

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.