PVP改性酸碱型高温质子交换膜的制备与性能表征1.pdf

PVP改性酸碱型高温质子交换膜的制备与性能表征
作者 : 张鑫
学位授予单位 : 武汉理工大学
学位名称 : 硕士
导师姓名 : 沈春晖
学位年度 : 2015
关键词 : 膦酸；酸碱离子对；PVP改性；高温低湿膜
摘要 : 质子交换膜(PEM)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件,在电池内部起着隔离燃料和氧化剂、绝缘电子、传导质子的作用,其性能的优劣直接影响燃料电池的综合性能。目前质子交换膜中应用最广泛的全氟磺酸膜虽在低温高湿度下有良好的质子传导性和力学性能,但在传导质子时极依赖水,且有水热管理复杂、CO催化剂中毒、价格昂贵等缺点,因此开发新型的高温质子交换膜十分重要。膦酸基团的电离度只略低于磺酸基,在高温无水条件下具有自电离现象,且具有较好的吸水性,因此以磷酸基团作为质子载体的质子交换膜是高温质子交换膜开发研究的热点方向之一。本论文采用氨基三甲叉膦酸(ATMP)作为质子传导介质,以3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTES)为前驱体,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为辅助改性剂,水作为反应体系溶剂,通过溶胶-凝胶过程制备酸碱型质子交换膜及其PVP改性膜。本论文期望强络合性的PVP能与氨基硅氧烷膦酸盐形成较稳定配位物,提高质子膜的化学、机械稳定性能,并期望PVP上的羰基能与质子膜中羟基形成氢键,而N元素的引入促进质子膜中N、P元素的协同作用,加速膦酸自解离,利于质子传输通道的形成。FT-IR分析表明,ATMP上的膦酸基团与APTES上的氨基发生了酸碱中和反应,成功形成了酸碱离子对,同时氨基硅氧烷成功发生了水解反应,形成了Si-O-Si网络结构。XRD分析表明,两组质子膜均为非晶态结构,均未出现结晶现象。TG-DSC热分析表明,本论文制备出的酸碱型质子膜及其PVP改性膜具有良好的热稳定性,能在200℃下稳定运行。耐水解性、吸水率、溶胀度及抗氧化性测试表明PVP的添加在改善质子膜耐水解性、吸水性、尺寸稳定性的同时还提高了质子膜的抗氧化性。形貌分析表明,PVP改性膜的表面及脆断面均未出现明显的相分离现象和团聚现象,说明PVP与质子膜相容性良好,而PVP的添加使质子膜结构更为致密,提高了质子膜的吸水、保水性。离子交换容量(IEC)测试及质子电导率测试分析表明,两组质子膜在高温低湿度下显示出良好的质子传导性,且随IEC值及PVP添加量的增加而增加,在140℃时酸碱膜AAM-1的质子电导率为1.64×10-2 S·cm-1,而其PVP改性膜的质子电导率最高可达1.73×10-2 S·cm-1,这表明PVP的引入加速了膦酸基团的自解离,利于质子传输通道的形成。