用无机纳米粒子修饰的复合型质子交换膜的制备与表征

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1、武汉理工大学硕士学位论文摘要质子交换膜(PEM)作为燃料电池中的核心材料之一，起着隔离两极气体和质子传导的作用。而质子交换膜的电导率又十分依赖于膜中含水的情况。对于改善膜中的亲水保水性能，研究者们作了很多这方面的工作，其中通过无机亲水粒子(Si02，Ti02以及其他一些硅酸盐材料等)掺入全氟磺酸树脂内，则是一个比较重要的方向。然而，这类方法往往不能最大效率地利用无机粒子的亲水性能。并且容易导致电导率和机械性能方面较大的下降。本文认为，改善无机粒子在膜中的分布状态，使其围绕在传导质子的--S03周围，而不是随机分布在树脂内部，才能最大效率发挥无机粒

2、子的效率，并且通过控制粒子在纳米尺度，限制其对膜其他方面的影响。文中提出两种思路，控制无机纳米粒子在全氟磺酸型膜中的分布状态：(1)通过溶液插层方式，将全氟磺酸树脂(使用Dupont公司Nation树脂)插入层状硅酸盐材料中(本文选取的是蒙脱石(montmorillonite，Mh仃)。(2)使用自组装的方式，通过纳米粒径的亲水性的无机粒子与全氟磺酸树脂的．S03．部分的作用，形成包覆型结构，纳米粒子分散在一S03．周围。本文选取的亲水无机材料为si02。通过控制实验条件，按照这两种思路分别制取了插层型膜和包覆型膜。MMT插层膜是通过首先有机化蒙

3、脱石(m-MMT)，然后加温加压，形成插层溶液，最后制取插层型膜。X射线衍射(Ⅺ①)分析了蒙脱石插层前后层间距的变化情况，证明了全氟磺酸树脂进入了蒙脱石的层间，而差示扫描量热分析(Dsc)则说明了蒙脱石层间的作用限制了高分子链在层间的热运动。含水率和高温保水率的测试结果表明了MMT插层膜具有较好的亲水性和保水性。在高温下的电导率测试和不赠湿调价下电池性能的测试则体现了插层膜保水能力的优势。而在气体渗透率和膜机械强度有一定的影响。而包覆型复合膜则是基于对Nation溶液分散行为的研究，通过调节pH值，改变原位生成的Si02的Zeta电位，从而构造了

4、能够自组装成包覆结构的环境。本文研究了Nation溶液在不同浓度和pH值条件下，Zcta电位的变化情况。但武汉理工大学硕士学位论文是，Si02胶体的Zeta电位则具有随pH值变化能够改变电荷方向的特性。在pH值小于2的情况下，Si02能够带正电荷，而pH值大于2的时候，Si02则带负电荷，并且随着pH的增大，所带负电荷增多。因此，在pH小于2的环境中，带负电荷的Nation团簇能够与Si02自组装成包覆结构，达到控制Si02颗粒围绕在．S03．周围的目的。为了控制Si02的粒径，将Nation溶液去水，再转移到有机溶剂中，控制正硅酸乙酯(TEOS

5、)水解，从而原位合成纳米si02。通过Zeta电位测试，以及透射电镜(TEM)等测试手段，表征了膜的包覆结构，并对膜的含水情况以及电导率等作了一系列测试。结果表明包覆型膜的亲水性能比较理想。关键词：质子交换膜燃料电池，Nation，蒙脱石，插层，包覆，Si(hII武汉理工大学硕士学位论文AbstractAsoneofthekeycomponentsinfuelcell，protonexchangemembrane(PEM，suchasNation@)providestheionicpathwayandactsasagasseparator．The

6、conductivityofthePEMsismuchrelatedtothewatercontentinthePEMs．Researchershaddidmayworkstoimprovethehydrophiliecapacityandwater-retentioncapacity．Mixinghydrophilicparticles(suchasSi02，Zi02andothersilicateparticles)intoPEMpolymerisoneofthemostimportantways．However,thewater-relen

7、tioncapacityofthehydrophilicparticlescannotbeefficientlyachievedduetotherandomdisperseoftheparticlesinthePEMpolymer,andthesemembranesusuallyhadabiggishdescendinmechanismstre啦．ThispaperpointedoutthatimprovingthedispersionofhydrophilicparticlesCanimprovetheefficiencyofthat．Theh

8、ydrophilicparticlesshouldbesurroundaboutthe-S03．，nottherandomdispers