聚苯并咪唑改性高温质子交换膜的制备及其性能研究

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1、分类号：TB34单位代码：10190研究生学号：201506030密级：公开硕士学位论文田雪2018年6月聚苯并咪唑改性高温质子交换膜的制备及其性能研究StudyontheSynthesisandPropertyofPolybenzimidazole-basedHigh-TemperatureProtonExchangeMembranes硕士研究生：田雪导师：倪宏哲副教授申请学位：理学硕士学科：高分子化学与物理所在单位：化学工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：长春工业大学摘要摘要质子交换膜燃料电池（PEMFC）是内燃机最理想的替代品之一，因其具有高效率，

2、低排放，紧凑的电池设计以及对环境无污染等特点。PEMFC最关键的部分是质子交换膜（PEMs），其作为固态电解质，是为了防止燃料和氧化剂的交叉混合，同时使质子在电极之间进行传输。目前商业化的质子交换膜是Nafion膜，因其具有优异的机械性能，高导电性以及在中等温度（<80oC）下的良好化学稳定性。然而，它也存在一些致命的缺点，如对水的过度依赖，过高的甲醇渗透和高成本限制了其大规模的应用。因此，研发出一种能在高温条件下使用且价格低廉的PEM材料迫在眉睫。磷酸掺杂聚苯并咪唑（PA/PBI）膜因其具有优异的热稳定性，优异的机械性能以及高温下的高质子传导性而被广泛研究。PA

3、掺杂水平，温度和相对湿度对于PA/PBI膜的质子传导性是至关重要的。然而，由于PA的强塑化作用，较高的PA掺杂水平导致机械强度下降，严重阻碍膜的实际应用。因此，对这类膜材料进行改性并提高其综合性能尤为重要。本文首先制备聚苯并咪唑（PBI）/离子液体（IL）复合膜。所用IL具备硅氧烷官能团，在酸性条件下可水解形成IL功能化的Si-O-Si网络（NP），进而制备得到一系列PBI/NP-X膜。所有的PBI/NP-X复合膜都表现出优异的化学稳定性和氧化稳定性。由于NP小分子的引入，使PBI/NP-X复合膜的初始热分解温度降低了，但仍能满足高温质子交换膜的使用。同时膜可以吸

4、收更多的磷酸，有利于有提高质子传导率，而且机械性能也有一定的提高。综合考虑质子传导率与机械性能等影响因素，确定了NP的最佳含量为15%，其在180oC时，PBI/NP-15复合膜的质子传导率达到了0.061Scm-1为了进一步提高磷酸掺杂能力与保酸能力，我们还合成了接枝聚苯并咪唑膜（PBIm），然后使用KH560作为交联剂，制备了一系列的CPBIm-X交联接枝膜。接枝侧链含有咪唑官能团，不仅可以增加碱性位点，而且可以实现更高的磷酸吸附。此外，与PBI主链上的咪唑环相比，咪唑环侧链具有柔韧性，有利于质子传递。CPBIm-5在180oC时的质子传导率为0.092Scm

5、-1，与纯PBI膜相比，质子传导率几乎提高了3倍。KH560的水解使膜中生成了硅烷交联网络结构，能够有效地提高磷酸（PA）的稳定性，例如，CPBIm-5在312小时之后磷酸的剩余重量为57％，而纯PBI的磷酸几乎全部流失，总之，CPBIm既能提高磷酸的吸附含量也能有效阻止磷酸的流失。关键词：聚苯并咪唑离子液体磷酸掺杂质子交换膜高温燃料电池IAbstractAbstractAmongseveralenergydevices,protonexchangemembranefuelcells(PEMFCs)areidealsubstituteofinternalcombu

6、stionengine,becausetheyhavehighefficiency,lowemissions,compactbatterydesignandpotentialcontributiontoenvironmentalsustainability.AsakeypartofPEMFCs,theprotonexchangemembranes(PEMs)serveasasolidelectrolytetopreventthecrossmixofthefuelandtheoxidant,whilestillprotontransportbetweenelectr

7、odes.NafionisacommerciallyavailablePEMatpresentduetoitsexcellentmechanicalproperties,highconductivityandgoodchemicalstabilityatmoderatetemperatures(<80oC).However,somefataldrawbackssuchastheover-relianceonwater,poormethanolcrossoverandhighcostlimititslarge-scaleapplications.Therefore,

8、aprot