多阳离子侧链型阴离子交换膜的合成

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阴离子交换膜(AEMs)作为碱性燃料电池(AEMFCs)的关键组分,对AEMFCs的综合性能有着重要的影响。然而,目前所制备的AEMs仍存在电导率低、耐碱性差等问题。提高膜的离子交换容量(IEC)和设计新的膜结构都被认为能够影响膜的性能。其中,提高膜的IEC能够直接获得高离子电导率,但也会带来尺寸稳定性差和机械性能下降等诸多问题。而改变膜的结构,能够从根本上影响膜的综合性能。因此,膜结构的创新设计被认为是能够获得高性能膜的理想措施之一。在诸多有关膜结构的研究中,已证实膜内存在的多阳离子长柔性侧链,能有效地提高膜内离子基团的含量,促进离子基团自组装形成明显的微相分离结构,提高离子电导率。但是,多阳离子侧链结合不同结构的聚合物主链对于膜性能的影响还有待探明。因此本论文设计了一系列含有多阳离子柔性侧链和不同主链结构的膜。通过系统地表征与测试,详细地探索不同膜结构与性能之间的关系。主要工作如下:(1)多阳离子侧链有序支化型阴离子交换膜。通过缩聚,溴化和门舒特金反应,成功制备了具有不同结构的聚亚芳基醚酮(PEK)基阴离子交换膜。经透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)证实,有序支化型阴离子交换膜(OBAEMs)具有明显的微相分离形态和良好连通的离子簇区域。IEC为1.81-2.01 meq·g-1的OBAEMs(93.3-119 mS·cm-1)显示出优于无序支化型阴离子交换膜(RBAEM)(78.9 mS·cm-1)和侧链型阴离子交换膜(SAEM)(67.8 mS·cm-1)的离子电导率。同时,使用 OBAEM(130.8mW·cm-2)组装的单电池的最大功率密度远高于使用RBAEM(84.1 mW·cm.2)和 SAEM(63.2 mW·cm-2)。除此之外,OBAEMs 在 80℃下苛刻碱性环境中暴露500小时后,还具有合理的碱性稳定性。所有这些结果表明,具有有序支化结构的AEM在燃料电池中具有广阔的应用前景。(2)多阳离子侧链交联型阴离子交换膜。为了同时提高膜的耐碱性和电导率,通过定向设计了一系列多阳离子侧链交联型TQ-PDBA-X膜。其中,合成的具有特殊功能化位点的部分含氟强疏水性聚合物作为主链骨架,含有长烷基链间隔的多阳离子基团的强亲水性离子液体作为柔性侧链。通过微观表征和分析证实膜内存在明显的微相分离形貌和高效的离子传输通道。IEC为2.16 meq·g-1的TQ-PDBA-70%膜在80℃下的最高离子电导率达到136.27 mS·cm-1。此外,将TQ-PDBA-70%膜样品分别浸于80℃下1M、2M、4M、8M和10M的KOH溶液中1000 h 后,仍分别保留 98.14%、95.5%、77.90%、72.02%和 58.15%的离子电导率,表明膜具有极佳的耐碱性。同时,用TQ-PDBA-70%膜组装成单电池装置可获得较高的最大功率密度(158.8mW·cm-2)。这些结果表明,该类多阳离子侧链交联型阴离子交换膜具备在燃料电池中实际应用的可能。
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