π-π堆叠效应诱导的碱性膜的制备与性能研究

作     者：柴君凯 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪中明

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：碱性膜燃料电池 碱性膜 π-π堆叠相互作用 离子传输通道 三联苯 

摘      要：为满足现代社会对于绿色清洁能源的需求,燃料电池应运而生。在众多的燃料电池中,聚合物电解质膜燃料电池因具有较为理想的工况条件而被寄予厚望。其中,碱性膜燃料电池（AEMFCs）因其反应动力学优势,能够使用低成本的非贵金属催化剂以及纯度较低的燃料,极大地降低了生产成本带来的限制。碱性阴离子交换膜（AEMs）作为AEMFCs中的重要部件之一,直接起到了隔绝燃料以及传输氢氧根离子的重要作用,其传导率、寿命以及力学性能的好坏直接决定了能否在工业中进行大规模生产应用。为此,本文尝试在聚合物体系中引入π-π堆叠相互作用,通过自组装效应诱导,在膜内构建高效的离子传输通道,以此获得更高的离子传导率及碱稳定性。具体的研究内容如下: （1）基于芳香族芘的碱性膜的制备与性能研究。通过在聚合物骨架中引入芳香族的芘单元,制备出了聚（芘-甲基三联苯-对三联苯-三氟丙酮）骨架,并通过自由基溴代以及季铵化反应进行改性,制备出了新型的QPMTTT-x系列膜。芳香族芘单元的引入能够提供π-π堆叠效应以及足够的刚性,有效的提高其离子传导率及尺寸稳定性。其中QPMTTT-10%表现出最高的OH-离子传导率,80℃时为84.1 m S/cm,同时在2.93mmol/g的IEC下表现出17.27%的低溶胀率,具有良好的尺寸稳定性。但该系列聚合物聚合反应活性较低,聚合难度相对较大,芳香族芘单元引入受限,因此自组装效应相对较弱,且使用的苄基季铵阳离子碱稳定性较差,导致系列膜的化学稳定性整体偏低。 （2）含广域平面共轭结构的碱性膜的制备与性能研究。在第一部分的研究基础上,本文进一步寻找并引入了一种具有更大平面共轭结构的芘的衍生物,可以提供更优秀的π-π堆叠相互作用,提高聚合物主链的自组装能力,构建更优秀的离子传输通道;同时,为了获得更好的碱稳定性,在此使用稳定性更好的哌啶基团,制备聚（二苯乙烯基芘-三联苯-哌啶-三氟丙酮）聚合物,之后通过季铵化反应对其改性,制备了QPEmTP-x系列碱性膜。其中,QPEmTP-15%膜表现出了最好的综合性能:80℃时OH-离子传导率可达97.8 m S/cm,在2 M Na OH中浸泡1100 h后离子传导率保留率大于94%。 （3）基于分子构型诱导的π-π堆叠相互作用机制研究。在第二部分研究工作的基础上,为了进一步提高π-π堆叠相互作用的诱导能力,本文探索了分子构型对于π-π堆叠相互作用的影响机制,在这一部分中我们分别合成了两种具有不同分子构型的的QPEmTP-x以及QPEpTP-x系列膜,并通过结构、性能表征以及理论计算等手段对两种碱性膜进行了研究,探究了三联苯基团对于π-π堆叠相互作用的影响机制,为后续更高性能的AEMs的开发提供一定的指导。