侧链型聚芳醚酮阴离子交换膜的制备与性能

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:serene_he
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碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)因其能量转化率高、污染小、成本低等特点,成为当前的研究热点之一。阴离子交换膜(AEM)是碱性阴离子交换膜燃料电池的核心部件,仍存在离子传导率低、耐碱稳定性差等缺点,限制了AAEMFC的发展。本论文通过缩聚反应合成含胺基的聚芳醚酮,并以胺基作为反应位点引入侧链结构,合成并制备一系列侧链型聚芳醚酮阴离子交换膜。侧链结构能够促使膜内形成明显的微相分离结构,可有效提高阴离子交换膜的离子传输能力和耐碱稳定性。本文首先使用离子液体法制备了一系列侧链型聚芳醚酮阴离子交换膜。该制备方法以聚芳醚酮上胺基作为接枝位点,直接接入将含端溴的离子液体,是一种简单可控的侧链型阴离子交换膜制备方法。所制得的膜性能优异,膜离子传导率最高可达到74.4 mS cm-1,另外膜在60℃的1 M KOH溶液中浸泡768 h后,其化学结构并未发生明显的改变,说明其具有良好的耐碱稳定性。为了削弱离子液体法中高温及强碱性的反应环境对聚合物主链及离子基团的破坏作用,将侧链结构与功能基团的引入分为各自独立的两步反应。侧链结构的引入改用常温碱性较弱的反应环境,而功能基团的引入仅需加热的反应条件即可完成。使用这种分步法制备了一系列侧链型聚芳醚酮阴离子交换膜。测试发现,使用这种方法可以较为精准地控制膜的离子交换容量(IEC)。与离子液体法制备的膜相比,膜的断裂伸长率有所提升,同时最高离子传导率提升至100.5 mS cm-1,另外膜在60℃的1 M KOH溶液中浸泡时间可延长至1008 h,其IEC,离子传导率及化学结构在此过程中均未发生明显变化,展现出更优异的性能。为了进一步提高膜的离子传导能力,在侧链结构的基础上,以N,N,N,N-四甲基-1,6-己二胺作为交联剂,在铸膜过程中引入交联结构,使膜在不牺牲机械性能和尺寸稳定性的基础上,获得更高的IEC。使用这种方法制备了一系列侧链交联型聚芳醚酮阴离子交换膜。该结构膜的IEC可以达到1.63 mmol g-1,其最高离子传导率也随着IEC的增大而提升至109.8 mS cm-1,而膜的溶胀度随温度的升高几乎不发生变化,在80℃时最大值仅为21.2%。
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