新型阻醇复合膜的制备与表征

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质子交换膜是直接甲醇燃料电池(DMFC)的关键材料之一,研制阻醇性能优异的质子交换膜是DMFC研究中最富有挑战性的基础课题之一。鉴于烃类膜具有优异的阻醇性能,本论文以降低高磺化度烃类膜的溶胀度、提高其阻醇性能和氧化稳定性为主要目标,制备了多种新型阻醇质子交换膜,并对其结构与性能进行考察,获得以下创新性成果:(1)采用聚四氟乙烯(PTFE)网布改性烃类膜,制备了磺化聚醚醚酮(SPEEK)/PTFE复合膜和磺化杂萘联苯聚醚砜酮(SPPESK)/PTFE复合膜。IR和SEM证实烃类树脂已填充到PTFE孔内。与基体膜相比,复合膜的含液率降低,溶胀度明显降低,质子电导率有所减小,但复合膜阻醇性能提高,质子电导率和甲醇透过系数均随温度的升高而增大。从复合膜具有的优异性能看,PTFE网布改性型复合膜有望应用于DMFC。(2)利用聚合物共混改性方法改性高磺化度SPPESK膜,首次制备了SPPESK/聚醚砜(PES)和SPPESK/聚偏氟乙烯(PVDF)共混膜。IR、SEM和XRD均表明共混膜发生了相分离。与SPPESK膜相比,室温下共混膜的含液率降低,溶胀度降低。质子电导率随温度的升高而升高,随PES(或PVDF)含量的增大而减小,298K时共混膜的质子电导率高于10-4S/cm;甲醇透过系数随温度的升高而升高,随PES(或PVDF)含量的增大而减小,298K时共混膜的甲醇透过系数约在10-7cm2/s,共混膜的阻醇性能好。这预示着共混膜有望应用于DMFC中。(3)采用喷涂技术将具有H2O2催化分解能力的Nation杂化膜与SPPESK等烃类膜复合,制备了基于烃类膜的既阻醇又抗氧化降解的多层复合膜。首次制备了包括Pt/TiO2-Nafion|SPPESK|Pt/TiO2-Nafion(PSPP)、Pt/TiO2-Nafion|SPPESK-PES|Pt/TiO2-Nafion(PSPSP)、MnOx/C-Nafion|SPPESK|MnOx/C-Nafion(MSPM)和MnOx/C-Nafion|SPPESK-PES|MnOx/C-Nafion(MSPSM)在内的四种多层阻醇复合膜。多层膜具有相似的规律。SEM表明催化剂均匀分布于多层膜的外层内,多层膜有三层组成,中间层与两外层结合紧密;XRD表明催化剂在膜内没有发生团聚;与对应基体膜相比,多层复合膜的质子电导率有所增加,甲醇透过系数也略有增大,但阻醇性能仍优于Nafion膜;多层膜的抗氧化性能提高。从多层复合膜具有的优异性能看,多层复合膜有望作为DMFC用质子交换膜。本论文图88幅,表2个,参考文献125篇。
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