用無(wú)機(jī)納米粒子修飾的復(fù)合型質(zhì)子交換膜的制備與表征.pdf

1、質(zhì)子交換膜(PEM)作為燃料電池中的核心材料之一，起著隔離兩極氣體和質(zhì)子傳導(dǎo)的作用。而質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率又十分依賴于膜中含水的情況。對(duì)于改善膜中的親水保水性能，研究者們作了很多這方面的工作，其中通過(guò)無(wú)機(jī)親水粒子(SiO<,2>,TiO<,2>以及其他一些硅酸鹽材料等)摻入全氟磺酸樹(shù)脂內(nèi)，則是一個(gè)比較重要的方向。然而，這類方法往往不能最大效率地利用無(wú)機(jī)粒子的親水性能。并且容易導(dǎo)致電導(dǎo)率和機(jī)械性能方面較大的下降。本文認(rèn)為，改善無(wú)機(jī)粒子在膜中

2、的分布狀態(tài)，使其圍繞在傳導(dǎo)質(zhì)子的-SO<,3><'->周圍，而不是隨機(jī)分布在樹(shù)脂內(nèi)部，才能最大效率發(fā)揮無(wú)機(jī)粒子的效率，并且通過(guò)控制粒子在納米尺度，限制其對(duì)膜其他方面的影響。 文中提出兩種思路，控制無(wú)機(jī)納米粒子在全氟磺酸型膜中的分布狀態(tài)： (1)通過(guò)溶液插層方式，將全氟磺酸樹(shù)脂(使用Dupont公司Nafion樹(shù)脂)插入層狀硅酸鹽材料中(本文選取的是蒙脫石(montmorillonite，MMT)。 (2)使用自組

3、裝的方式，通過(guò)納米粒徑的親水性的無(wú)機(jī)粒子與全氟磺酸樹(shù)脂的-SO<,3>-部分的作用，形成包覆型結(jié)構(gòu)，納米粒子分散在-SO<,3>-周圍。本文選取的親水無(wú)機(jī)材料為SiO<,2>。 通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件，按照這兩種思路分別制取了插層型膜和包覆型膜。 MMT插層膜是通過(guò)首先有機(jī)化蒙脫石(m-MMT)，然后加溫加壓，形成插層溶液，最后制取插層型膜。 X射線衍射(XRD)分析了蒙脫石插層前后層間距的變化情況，證明了全氟磺酸樹(shù)脂

4、進(jìn)入了蒙脫石的層間，而差示掃描量熱分析(DSC)則說(shuō)明了蒙脫石層間的作用限制了高分子鏈在層間的熱運(yùn)動(dòng)。含水率和高溫保水率的測(cè)試結(jié)果表明了MMT插層膜具有較好的親水性和保水性。在高溫下的電導(dǎo)率測(cè)試和不贈(zèng)濕調(diào)價(jià)下電池性能的測(cè)試則體現(xiàn)了插層膜保水能力的優(yōu)勢(shì)。而在氣體滲透率和膜機(jī)械強(qiáng)度有一定的影響。 而包覆型復(fù)合膜則是基于對(duì)Nafion溶液分散行為的研究，通過(guò)調(diào)節(jié)pH值，改變?cè)簧傻腟iO<,2>的Zeta電位，從而構(gòu)造了能夠自組裝成

5、包覆結(jié)構(gòu)的環(huán)境。本文研究了Nafion溶液在不同濃度和pH值條件下，Zeta電位的變化情況。但是，SiO<,2>膠體的Zeta電位則具有隨pH值變化能夠改變電荷方向的特性。在pH值小于2的情況下，SiO<,2>能夠帶正電荷，而pH值大于2的時(shí)候，SiO<,2>則帶負(fù)電荷，并且隨著pH的增大，所帶負(fù)電荷增多。因此，在pH小于2的環(huán)境中，帶負(fù)電荷的Nafion團(tuán)簇能夠與SiO<,2>自組裝成包覆結(jié)構(gòu)，達(dá)到控制SiO<,2>顆粒圍繞在-SO<