雙棲型磷酸化殼聚糖質(zhì)子交換膜的制備及表征.pdf

1、在資源緊張、能源短缺的當(dāng)代社會(huì)，開發(fā)和利用新能源是各國(guó)研究的熱點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種新型的能源利用方式，近年來(lái)也備受關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的燃料電池，其具有啟動(dòng)速度快、能量轉(zhuǎn)化效率高、比功率和比能量高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，非常適于用作便攜式電源、分散型發(fā)電站、電動(dòng)汽車等的動(dòng)力電源。質(zhì)子交換膜作為這種電池的關(guān)鍵部件，直接影響其性能的表現(xiàn)和制造成本。因此，開發(fā)高效率、低價(jià)格的質(zhì)子交換膜對(duì)于推動(dòng)質(zhì)子交換膜領(lǐng)域的研究有著重要的意義。
　　

2、近年來(lái)，隨著科學(xué)研究的深入，各種各樣的材料被運(yùn)用到研究和制造質(zhì)子交換膜中來(lái)。其中就包括殼聚糖、海藻酸等天然材料，使用天然材料制備質(zhì)子交換膜的優(yōu)點(diǎn)在于環(huán)境友好、成本低廉并且能解決天然材料浪費(fèi)等問(wèn)題。在天然材料制備的質(zhì)子交換膜中，殼聚糖類質(zhì)子交換膜是研究最多的。殼聚糖是自然界第二豐富的生物高分子，從化學(xué)結(jié)構(gòu)而言，它是甲殼質(zhì)脫去乙?；蟮漠a(chǎn)物，具有化學(xué)反應(yīng)活性的氨基和羥基使得其易于功能化，同時(shí)其阻醇能力良好，是最有希望投入應(yīng)用的天然材料質(zhì)子交

3、換膜。
　　 目前的質(zhì)子交換膜研究主要集中于低溫含水和高溫?zé)o水領(lǐng)域，很少涉及在這兩種情況下通用的質(zhì)子交換膜，為了解決這一問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)室曾合成了在低溫和高溫條件下通用的聚倍半硅氧烷質(zhì)子交換膜，并將其命名為“雙棲型”質(zhì)子交換膜。本工作基于前人的研究基礎(chǔ)，將這一類質(zhì)子交換膜擴(kuò)展到殼聚糖類質(zhì)子交換膜中，對(duì)合成的雙棲型磷酸化殼聚糖質(zhì)子交換膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能的表征。同時(shí)，為了進(jìn)一步理解這一質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)和質(zhì)子傳導(dǎo)方式，利用分子模擬的方法，建

4、立了磷酸化殼聚糖質(zhì)子交換膜的分子模擬模型，從微觀角度對(duì)其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系進(jìn)行解釋和探討。
　　 本研究工作可以主要概括為以下幾點(diǎn)：
　　 1、利用殼聚糖上氨基官能團(tuán)反應(yīng)活性，采用均相反應(yīng)法合成了N-亞甲基磷酸化殼聚糖(CP)，使用磷酸化的聚乙烯醇(PVA)1799與其復(fù)合制備得到了自支撐淡黃色透明狀的雙棲型的質(zhì)子交換膜，并采用傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)、元素分析(EA)等手段證明了相應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
　　 2、

5、通過(guò)交流阻抗分析(EIS)、熱重分析儀(TGA)考察了所制得的質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力和熱穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)其的成膜性進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，所制備的質(zhì)子交換膜在180℃范圍內(nèi)能表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，且能在低溫含水、高溫?zé)o水條件下能表現(xiàn)出一定的質(zhì)子電導(dǎo)率。同時(shí)本工作還研究了質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，并對(duì)其在低溫及高溫條件下的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理進(jìn)行了討論和解釋。
　　 3、基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和資料數(shù)據(jù)，通過(guò)分子力學(xué)(MM)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)方

6、法，采用逐級(jí)建模的方法建立并且優(yōu)化了帶三維周期性邊界條件的雙棲型質(zhì)子交換膜，同時(shí)考察了COMPASS力場(chǎng)對(duì)模型的適用性及達(dá)到平衡所需的時(shí)間以及參數(shù)。
　　 4、通過(guò)進(jìn)行NVT、NPT系綜的分子動(dòng)力學(xué)模擬，對(duì)建立的分子模擬模型進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算和研究了非鍵作用和高分子的鏈運(yùn)動(dòng)性，從微觀角度解釋了結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從而為化學(xué)實(shí)驗(yàn)的表征結(jié)果提供了模擬依據(jù)。并通過(guò)模擬方法證明了所謂“氫鍵橋”結(jié)構(gòu)存在的可能性。
　　 本論文利用天然材