基于聚苯醚的交联型碱性聚合物电解质膜的制备及性能研究

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随着人们环保意识的增强,燃料电池作为一种最有前途的清洁、绿色能源受到了广泛的关注。在众多燃料电池中,由于低成本、高效率等优点,使用碱性聚合物电解质的阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)渐渐受到科研人员的关注。阴离子交换膜(AEMs)是AEMFCs的一个重要部件,其性能的优劣直接影响了燃料电池的工作效率。目前来看,AEMs还面临着稳定性差和离子传导率低等关键问题亟待解决。为了提升尺寸稳定性、化学稳定性、拉伸强度等关系到AEMs实际应用的重要性能,一些研究人员在膜中引入可交联成分,尝试构建稳定的交联网络结构。然而,交联聚合物的分子结构往往过于紧密,致使分子间的自由体积减小,导致膜的吸水能力下降,进而影响到“离子传输通道”的构建,无法获得高水平的传导率;此外,过于紧密的交联结构经常会对膜的柔韧性造成不利影响。为了实现离子电导率和稳定性等综合性能的提升,本文设计并制备了含有“柔性亲水”成分和“线性-超支化”结构的基于聚苯醚(PPO)的两类共混型交联阴离子交换膜。具体的研究工作如下:我们在合成含有醛基的季铵化聚苯醚的基础上,通过溶液浇筑的方式,与具有多羟基的聚乙烯醇(PVA)共混成膜,制备了一系列PPO-PVA交联型阴离子交换膜。交联结构可以有效改善膜的尺寸稳定性,PPO-PVA系列膜的拉伸强度为25.1~28.9 MPa,是PPO-PVA-0拉伸强度的5倍左右。同时由于亲水柔性PVA成分的引入,膜的吸水能力较好,有助于构建有效的“离子传输通道”。PPO-PVA-5交联膜的氢氧根离子传导率在80℃时达到了125.1 m S·cm-1,处在一个相对较高的水平,约是相似IEC值48%Br-PPO膜的2.0倍。此外,PVA引入后,膜的断裂伸长率也有所增加。由此可见,具有亲水PVA结构的交联型共混膜是一类综合性能优异、具有应用潜力的新型AEMs。为了进一步扩展交联型AEMs的结构,我们提出一个含有“线性-超支化”共混交联型阴离子交换膜的制备方法。首先合成了超支化聚对氯甲基苯乙烯(HVBC),然后制备HVBC和溴化聚苯醚的溶液,向此混合溶液中加入四甲基己二胺后浇筑铺膜,实现在成膜过程中完成交联,得到PPO-HVBC系列膜。和没有HVBC参与的PPO-Cr膜相比,PPO-HVBC具有更高的孔隙率和更小的密度。在相同的IEC值下(IEC~1.62 mmol·g-1),PPO-HVBC-60膜的离子传导率是PPO-Cr膜的2.9倍。PPO-HVBC系列膜的最大传导率在80℃时达到了135.9m S·cm-1。PPO-HVBC系列交联膜拉伸强度为17.3~32.3 MPa,断裂伸长率均在20%以上。结果表明,这种具有独特多阳离子结构的超支化HVBC能够作为有效的“性能增强组分”提升PPO基共混膜的性能,这为高性能AEMs的制备提供了一种新的思路。
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