聚多巴胺修饰的金属有机框架和磷钨酸共掺杂的磺化聚砜质子交换膜的研究

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质子交换膜(PEM)作为燃料电池关键材料是发展绿色能源的基础。作为燃料电池膜电极组件的重要组成部分质子交换膜必须具备高质子传导率,高使用寿命、抗氧化、高成膜性能、易组装成为膜电极、低燃料和氧化剂渗透性等特性。而且燃料电池作为石油能源的替代品还必须有低成本、易制备和易储存等商品性能。本次研究的课题以低成本,易获得且机械性能较好的磺化聚砜(SPSf)作为基底,通过引入酸碱对来制备更高性能的质子交换膜。本次实验探究以磺化聚砜为基底,掺杂聚多巴胺、MOFs以及杂多酸的复合膜在质子交换膜燃料电池中的应用。本文主要以聚多巴胺与磺化聚砜不同的掺杂方式来研究其作为质子交换膜的可行性和有效性,引入杂多酸并研究其在有水的条件下作为低温质子交换膜的性能。三种方式分别为:1.首先将MOF掺杂进入到磺化聚砜(SPSf)中,成膜后将膜浸泡到酸性条件下的多巴胺溶液中,利用具有漆酶催化活性的MOF作为催化剂在聚合物上合成并吸附聚多巴胺,利用聚多巴胺的氨基与磺化聚砜上的氨基形成酸碱对来促进质子在复合膜上的传递。但是MOF材料本身导电性较差,导致最终的复合膜质子传导率有所降低。同时,受到实验方法的限制,复合膜的机械性能较差,无法用于燃料电池中。2.在之间的实验方案中进行改进,先在MOF表面负载聚多巴胺,既可以防止MOF低导电性对实验的影响,同时利用聚多巴胺的亲水性和电荷的性质提高了掺杂质量,但最终由于实验选用的磺化聚砜的磺化度较低,没能实现质子传导率的提升。3.在之前的实验基础上,引入磷钨酸来提升复合膜的导电性。研究结果表明,通过磷钨酸和聚多巴胺的高吸水性和氢键作用,最终可以获得质子传导率高于只掺杂磷钨酸的磺化聚砜膜和只掺杂聚多巴胺的复合膜,甚至超过两者之和。这说明磷钨酸与聚多巴胺在实现高质子传导率的过程中形成了协同效应,它们共同提升了复合膜的导电性。实验中在室温和100%湿度的条件下获得的最高质子传导率的复合膜是质量分数20%的修饰了聚多巴胺的MOF与质量分数为75%的磷钨酸共掺杂的磺化聚砜膜(20%PDA@MOF+75%HPW+SPSf),其质子传导率为21 m S/cm,是纯磺化度为15%的磺化聚砜的4倍,而作为控制实验的掺杂了75%磷钨酸的磺化聚砜膜和掺杂了20%修饰了聚多巴胺的MOF的磺化聚砜膜在室温下的质子传导率分别为9 m S/cm和3 m S/cm。最终通过单电池性能的测试,掺杂了20%的PDA@MOF和75%HPW的磺化聚砜膜电池性能显著提升,其最高功率密度可以达到70 m W/cm~2。而作为控制实验的75%磷钨酸掺杂质量的磺化聚砜,其电池性能提高了约3.7倍。
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