基于螺杂环季铵盐阳离子和半互穿网络结构的阴离子交换膜的研究

摘要

随着环境的恶化和能源危机的加剧，燃料电池（Fuel Cells）作为一种环保、高效的清洁能源，正吸引着越来越多的国际关注。在所有燃料电池中，碱性阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）因使用非贵金属催化剂（如钴、银、镍催化剂），比起成本高昂的质子交换膜燃料电池（PEMFCs），更易进行商业推广。作为碱性阴离子交换膜燃料电池的一个重要部件，阴离子交换膜（AEMs）对电池的性能具有决定性的影响且其必须具有良好的离子导电性、较高的化学稳定性、较高的机械强度和较低的吸水溶胀性。本文研究了具有优异耐碱性的螺杂环季铵盐阳离子（ Spirocyclic QAs）型阴离子交换膜和具有优异电导率的半互穿网络（Semi-IPN）型阴离子交换膜。
　　本研究主要内容包括：⑴制备具有优异耐碱性的螺杂环季铵盐阳离子型阴离子交换膜。将苯乙烯、丙烯腈、螺杂环季铵盐（[DAPy][Br]、[DAPi][Br]、[DAHM][Br]）共聚制备了具有相同离子交换容量的阴离子交换膜。研究了它们的吸水率、溶胀度、电导率和化学稳定性等性质。这三种膜均具有较高的电导率，在40 oC时都能达到10-2 S cm?1。在碱溶液中经168 h的碱稳定性测试后，电导率下降较少。其中，基于（[DAPi][Br]）制备的阴离子交换膜（[PAPi][OH]）具有最佳的耐碱性，表明了基于螺杂环季铵盐阳离子制备的阴离子交换膜性能优异。⑵制备具有极佳电导率的半互穿网络型阴离子交换膜。通过分别将1-甲基-1-烯丙基哌啶（[MeAlPip][Br]）、1-甲基-1烯丙基吡咯（[MeAlPyr][Br]）、1-乙烯基-3-甲氰基咪唑（[VCyIm][Br]）和1-乙烯基-3-甲基咪唑（[VMeIm][Br]）均聚制备聚离子液体，再掺入丁腈橡胶并交联制备了具有相同离子交换容量的阴离子交换膜。测试相应的吸水率、溶胀度、电导率和化学稳定性等性质。最终制备的膜具有一定的延展性，经48 h耐碱性测试后，膜仍表现出了优异的电导率和机械强度。其中基于1-乙烯基-3-甲氰基咪唑（[VCyIm][Br]）制备的半互穿网络型阴离子交换膜耐碱性最佳。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 燃料电池

1.1.1 燃料电池的种类

1.1.2 燃料电池的工作原理

1.2 碱性燃料电池阴离子交换膜的研究进展

1.2.1 碱性燃料电池阴离子交换膜主链的研究进展

1.2.2 碱性燃料电池阴离子交换膜阳离子的研究进展

1.2.3 基于半互穿网络的碱性燃料电池阴离子交换膜的研究进展

1.3 本论文的研究内容和创新之处

1.3.1本论文的研究内容

1.3.2本论文的创新之处

第二章 基于螺杂环季铵盐阳离子的阴离子交换膜及其理论和实验研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2季铵盐离子液体的合成

2.2.3基于螺杂环季铵盐阳离子的聚合物的合成

2.2.4基于螺杂环季铵盐阳离子的阴离子交换膜的合成

2.2.5测试及表征方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 季铵盐阳离子的碱稳定性

2.3.2 碱性阴离子交换膜的电化学表征

2.4 本章小结

第三章 基于半互穿网络的阴离子交换膜的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1实验原料

3.2.2离子液体单体的合成

3.2.3基于阳离子的聚合物的合成

3.2.4 半互穿网络（SIPN）的阴离子交换膜的合成

3.2.5测试及表征方法

3.3 结果与讨论

3.3.1基于半互穿网络（SIPN）的阴离子交换膜的合成

3.3.2基于半互穿网络（SIPN）的阴离子交换膜的电化学表征

3.4 本章小结

第四章 总结与展望

4.1 全文总结

4.2 展望

参考文献

读研期间主要工作成果

致谢