同轴共纺聚醚醚酮无机掺杂质子交换膜的研究

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质子交换膜(PEM)是燃料电池阻隔燃料和传导质子的重要组件。商业上使用的全氟磺酸膜Nafion存在不耐高温、燃料渗透率高、价格昂贵等问题。磺化聚醚醚酮(SPEEK)价格低廉,机械强度高,但溶胀度与电导率的矛盾亟待解决。掺杂磺酸化无机材料,制备有机-无机复合膜是抑制膜溶胀、提升质子传导率、提高阻醇性的有效手段之一,但普通浇铸法在掺杂无机材料时存在有机-无机相容性差的难题。本文提出同轴共纺制备具有核壳结构的无机掺杂静电纺丝纤维膜,将功能化氧化石墨烯片层(SSi-GO)均匀包被于SPEEK电纺纤维中,显著提高有机-无机相容性。SSi-GO在强电场中沿纤维轴向取向,促进磺酸基团沿核壳界面有序排列,打通膜内质子传导通道,同时提高阻醇性能。首先,利用硅烷偶联法将氧化石墨烯(GO)功能化,形成磺化硅烷偶联化氧化石墨烯(SSi-GO),磺酸基团的对称及非对称振动引起的1130 cm-1峰的红移证明了磺酸基团的成功接枝;通过同轴共纺法制备SPEEK包裹SSi-GO的核壳结构电纺纤维,并考察了电压、内外纺丝液粘度、内外纺丝液推进速率等对纤维形貌及纤维尺寸分布的影响,确定最优纺丝条件:纺丝电压26kV,内外纺丝液粘度一致,均为561cP,内外纺丝液推进速度-致,均为1μL.min-1。此条件下制得的核壳纤维直径分布集中,SSi-GO包被完善,沿纤维轴向取向。接着,利用热压法将同轴纺丝核壳纤维制备为致密的PEM,并考察了一系列不同掺杂量的SPEEK/SSi-GO核壳纤维复合膜的性能。扫描电镜照片表明复合膜表面仍可保留纤维形貌,断面均匀致密,未见宏观相分离;膜的吸水率及电导率随掺杂量呈现先增大后趋于不变的趋势,掺杂量为2.5 wt%的复合膜性能最佳,30℃电导率达到94.6mS.cm-1,是SPEEK纯静电纺丝膜的3.4倍。为了比较SSi-GO在膜中的不同形貌对膜性能的影响,本文同时利用共混静电纺丝法和共混浇铸法制备了掺杂量为2.5 wt%的共混纺丝膜和共混浇铸膜,性能测试结果表明:不同于核壳结构对SSi-GO的包被相容作用,共混纺丝纤维中SSi-GO片层浮于SPEEK纤维之间,成膜后SSi-GO直接嵌于膜中,相容性差,从而阻碍了质子传导,其电导率仅为同轴共纺膜的1/2;SSi-GO在强电场中的取向促进了质子传导通道的连通性,单电池功率密度为共混纺丝膜的3.6倍、SPEEK纯纺丝膜的2.8倍;SSi-GO的同轴掺杂显著提升了膜的选择性(电导率/甲醇渗透率),约为Nafion115的11倍。
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