新型高温聚苯并咪唑(pbi)类质子交换膜制备及其的表征

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1、学位论文数据集lItllllllllIllllilNlllllllIlllllilll0、12138636中图分类号0626学科分类号l50．20论文编号1001020121055密级无学位授予单位代码l0010学位授予单位名称北京化工大学作者姓名李闪学号2009001055获学位专业名称化学获学位专业代码070300课题来源国家自然科学基金研究方向功能有机论文题目新型高温聚苯并咪唑(PBI)类质子交换膜的制备及其表征关键词中高温燃料电池，质子交换膜，聚苯并咪唑，性能，交联论文答辩日期2012．5．28t论文类型基础研究学位论文评阕及答辩委员会情况姓名职称工作单位学科专长指

2、导教师韩克飞副教授北京化工大学有机化学评阅人1朱红教授北京化工大学应用化学评阅人2汪中明副教授北京化工大学有机化学评阅人3评阅人4评阅人5答辩委员会主席何静教授北京化工大学物理化学答辩委员1宋宇飞教授北京化工大学物理化学答辩委员2宋家庆教授北京化工大学物理化学答辩委员3贾建光教授北京化工大学物理化学答辩委员4韩冬梅副教授北京化工大学物理化学答辩委员5征：一．四．论文类型：1．基础研究2．应用研究3．开发研究4．其它中图分类号在((中国图书资料分类法》查询。学科分类号在中华人民共和国国家标准(GB／T13745—9)《学科分类与代码》中查询。论文编号由单位代码和年份及学号的后

3、四位组成。摘要新型高温聚苯并咪唑(PBI)类质子交换膜的制备及其表征质子交换膜燃料电池(PEMFC)是具有能量效率高、安静和环保特性的新型电力动力源，质子交换膜(PEM)是PEMFC的核心部件，它具有隔离阴阳两电极燃料、传递质子和绝缘电子的作用，是PEMFC研究的核心。目前，已商业化的质子交换膜是美国杜邦公司生产的Nation系列全氟磺酸膜，它因合成成本高、质子传递依赖于水的存在等缺点，限制了它在燃料电池领域的大规模应用。而磷酸掺杂聚苯并咪唑(PBI)膜在高温下具有优良的热化学稳定性、良好的力学性能和在高温低湿条件下具有高的质子传导率，价格一般为Nation膜的10％，具有

4、在中高温燃料电池领域规模化使用的潜力。本文从合成新型聚苯并眯唑的芳香四胺单体出发，采用溶液缩聚法，将芳香四胺与二元羧酸和三元羧酸等反应，通过调节二元酸与三元酸的投料比，制备了未曾报道过的PBI类聚合物，并进行了成膜研究及燃料电池性能测试。本文具体研究内容如下：I、选择4，4’一二氨基二苯醚(DADPE)为合成3，3’，4，4’．四氨基二苯醚(TADPE)的起始原料，主要通过乙酰化反应(氨基保护)、硝化反应、酸水解反应、还原反应和中和反应等五步反应制得。为提高目标产物的产率，对还原反应的条件进行了优化：采用SnCl2+HCl还原体系，n(硝基物)：n(SnCl2)=1：12，

5、80。C，6h，总产率高达75．1％。其结构通过傅里叶红外光谱图、核磁氢谱谱图证实。2、采用溶液缩聚法，将TADPE与2，5．吡啶二甲酸(2，5．PDA)，2,6．北京化工大学硕L学位论文吡啶二甲酸(2，6．PDA)、均苯三酸(TMA)作为聚合单体，其中TMA也充当交联剂，以多聚磷酸(PPA)为溶剂，氮气氛围下，机械搅拌，采用程序升温法，制备了未曾报道过的新型2，5一pPBI．TMA．X(X=O，2．5，5．0，7．5，10)和2,6一pPBI—TMA—X(X--0，2．5，5．O，7．5，lO)聚合物。对聚合条件进行优化：室温30min，50℃2h，100℃3h，130℃

6、4h，160℃5h，190℃10h。聚合物的结构通过傅里叶红外光谱得到确认。并对其进行了黏度、溶解性和热稳定性等表征。研究表明醚链的引入增强了聚合物的溶解性，且2,6．pPBI．TMA．X(X=O，2．5)相对2，5．pPBI．TMA—X(X=O，2．5)溶解性较好。3、对所合成的聚合物进行加工性研究。本文主要采用溶液流延成膜法成膜，成功制备了未曾报道过的2，6-pPBI膜和2,6一pPBI—TMA-2．5膜(交联膜)，并对其进行不同浓度的磷酸掺杂，测试其磷酸掺杂率、溶胀率、机械性能、抗氧化性和形貌等。测试表明：2，6．pPBI．TMA．2．5膜相对2,6．pPBI膜在高温

7、下具有更高的质子传导率、良好的机械性能和良好的抗氧化性。2,6一pPBI．TMA．2．5膜的最大储存模量为2．068GPa，而2,6-pPBI膜的最大储存模量为1．352GPa，说明交联膜具有相对好的机械性能；2,6．pPBI．TMA．2．5膜在80％PA，170。C条件下质子传导率为0．053S．cm～，能应用于中高温燃料电池，具有潜在的应用前景。关键词：中高温燃料电池，质子交换膜，聚苯并咪唑，性能，交联摘要PREPARATIONANDCHARACTERIZATIONOFNOVELPoLYBENZIMIDAZOL