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一种带有醚键的阴离子交换膜的制备及研究

作　者: 任之光
导　师: 王宇新
学　校: 天津大学
专　业: 膜科学与技术
关键词: 阴离子交换膜 热稳定性 霍夫曼消除 引入醚键
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


采用碱性阴离子交换膜燃料电池(Alkaline Anion-Exchange Membrane Fuel cell,AAEMFC)相对质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)能够降低催化剂和材料的要求,并且有助于降低甲醇透过和简化水管理。但是离子交换膜燃料电池一般需要较高工作温度,然而强碱性阴离子交换膜中作为离子交换基团的季铵基在碱性环境下受热容易发生霍夫曼消除,导致季铵基的降解造成离子交换量的损失。因此,寻求制备热稳定性良好的阴离子交换膜有重要意义。本文中,我们选用成膜性能较好的聚苯醚作为基材,制备均相阴离子交换膜。根据霍夫曼消除的机理,我们试图通过电子效应提高季铵基的稳定性,即在季铵基的β碳旁边引入醚键,提高季铵基β碳上的电子云密度,降低β氢的酸性。第一步通过自由基反应在聚苯醚卞位上引入溴;第二步通过第一步引入的碳溴基团与二乙氨基乙醇的钠盐发生威廉姆斯醚合成,得到叔胺化聚苯醚,然后通过流延法制备致密膜;第三步将膜与碘甲烷反应,得到季铵化聚苯醚膜,即阴离子交换膜。与DF-120型商业阴离子交换膜相比,我们制备的季铵化聚苯醚膜热稳定性大大提高。而且自制膜的电导率明显高于商业膜,电导率常温下能够达到0.025 S·cm-1,70℃时达0.055S·cm-1。但是自制膜的溶胀度较大,特别是在高温下(80℃以上)长时间浸泡后机械强度明显下降,因此经改进后才可望应用于碱性阴离子交换膜燃料电池。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 文献综述  8-35
  1.1 燃料电池技术  8-11
    1.1.1 燃料电池及其发展历程  8
    1.1.2 燃料电池的分类[9,11]  8-9
    1.1.3 直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell, DMFC）  9-10
    1.1.4 碱性阴离子交换膜燃料电池  10-11
  1.2 离子交换膜的基本性质  11-16
    1.2.1 离子交换膜的分类  11-12
    1.2.2 离子交换膜的主要性能表征  12-15
    1.2.3 离子交换膜的制备  15-16
  1.3 聚苯醚的性质  16-29
    1.3.1 聚苯醚的发展进程  16-17
    1.3.2 聚苯醚的结构特点和基本性质  17-18
    1.3.3 聚苯醚的化学性质  18-21
    1.3.4 用聚苯醚制备离子交换膜  21-29
  1.4 热稳定性阴离子交换材料的研究  29-33
  1.5 本课题由来及工作内容  33-35
第二章 膜的制备和测试方法  35-49
  2.1 聚苯醚阴离子交换膜的制备  35-43
    2.1.1 实验原料及试剂  35-36
    2.1.2 溴化聚苯醚（BPPO）的制备  36-37
    2.1.3 叔胺化聚苯醚的合成及叔胺化膜的制备  37-42
    2.1.4 季胺化聚苯醚阴离子交换膜的合成  42-43
  2.2 膜的表征和性能测试  43-49
    2.2.1 膜电导率的测定  43-46
    2.2.2 离子交换量及季铵基热稳定性的测定  46-47
    2.2.3 溶胀度、含水率的测定  47
    2.2.4 SEM 测试  47-48
    2.2.5 TGA 测试  48
    2.2.6 红外光谱测试  48
    2.2.7 H–NMR 测试  48-49
第三章 结果与讨论  49-74
  3.1 1H–NMR 测试分析  49-50
  3.2 反应条件对结果的影响  50-52
  3.3 FT-IR 测试结果  52-56
  3.4 环境扫描电子显微镜(SEM)分析  56-59
  3.5 TGA 分析  59
  3.6 季铵化试剂的选择以及试剂的浓度对膜性能的影响  59-69
    3.6.1 季胺化试剂及溶剂的选择  59-60
    3.6.2 季胺化试剂的浓度对膜性能的影响  60-69
  3.7 季铵化时间对膜性能的影响  69-70
  3.8 电导率随温度的变化  70-71
  3.9 膜的热稳定性分析  71-74
第四章 结论  74-75
参考文献  75-81
发表论文和参加科研情况说明  81-82
致谢  82

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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