基于N-螺环季铵盐的聚芳基阴离子交换膜的结构设计与性能研究

作     者：王燕 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王哲

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：燃料电池 阴离子交换膜 N-螺环季铵盐 耐碱稳定性 离子传导率 

摘      要：阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）具有高功率密度和可以使用非贵金属催化剂等优势,逐渐成为氢能源领域的研究热点。然而其核心材料阴离子交换膜（AEM）存在离子传导率低和耐碱稳定性差等挑战,成为制约其技术发展和商业化应用的瓶颈问题。采用碱稳定性高的N-螺环阳离子和不含芳醚键的聚芳基聚合物骨架,可以提高AEM的耐碱稳定性。此外,阳离子基团与聚合物骨架之间的结构设计可以构建良好的亲/疏水微相分离结构,提高AEM的离子传导率。因此,本文提出基于N-螺环季铵盐的聚芳基阴离子交换膜的微相分离结构设计方法。设计具有间隔侧链的双阳离子和氨基的N-螺环侧链结构,通过侧链型和“鱼骨型的结构构建亲/疏水微相分离结构,提高AEM的综合性能。主要的工作内容和研究成果如下: （1）N-螺环阳离子具有较高的耐碱稳定性,但其移动性较差阻碍了阳离子基团的聚集,从而难以形成良好的微相分离结构进行OH离子传输。本章设计并合成了两种含间隔侧链的双阳离子N-螺环阳离子（BM-DSU和BM-DSD）,并将不同比例的N-螺环阳离子接枝到聚芳基吲哚聚合物主链上,制备了一系列含双阳离子N-螺环侧链的聚芳基吲哚阴离子交换膜。含有间隔侧链的双阳离子N-螺环季铵盐增加了阳离子基团的迁移速率,构建了更加连续的离子传输通道。BM-DSD-PIB-40和BM-DSU-PIB-40在80℃下的OH离子传导率分别为67.8 m S cm和63.4 m S cm。在80℃,1 M Na OH中浸泡730 h后,BM-DSD-PIB-30和BM-DSU-PIB-30剩余电导率分别为73.19%和78.02%。 （2）为了实现高耐碱稳定性的同时保持足够的离子传导率和力学性能,需要开发更多的结构设计来提高N-螺环型AEM的综合性能。在本章工作中,合成了具有供电子氨基的6元环N-螺环季铵阳离子和含有对称侧链的聚（三联苯哌啶）聚合物,并制备了一系列基于氨基/N-螺环阳离子的“鱼骨型高性能聚（三联苯哌啶）AEM。“鱼骨型结构设计发挥了N-螺环阳离子和哌啶阳离子的协同作用,而且螺环侧链的引用可以很好的促进微相分离结构的形成,显著地提高AEM的离子传导率,QPTPip-ASU-20离子传导率达到133.5 m S cm。此外,QPTPip-ASU-15在80℃的2M Na OH溶液中保持1200 h后,电导率保持在91.02%。在燃料电池测试中,QPTPip-ASU-5膜的峰值功率密度为255 m W cm。“鱼骨型的结构设计很好的改善了N-螺环型AEM的综合性能,发挥N-螺环阳离子耐碱稳定性的优势,为N-螺环型AEM的结构设计提供更多参考。