中溫、無水質(zhì)子導(dǎo)電的SPEEK-氧化硅-IL復(fù)合膜的制備及其表征.pdf

1、燃料電池由于其清潔、高效、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)而成為解決能源與環(huán)境問題的熱點(diǎn)之一。質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是燃料電池的一種，它的核心是質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane，PEM)。PEM起到阻隔電子導(dǎo)通質(zhì)子和隔絕燃料及氧化劑的作用。目前最為廣泛使用的是Nation系列的PEM，該膜材料的導(dǎo)電需要水的參與，因此工作溫度小于80℃。當(dāng)燃料電池

2、在低溫工作時(shí)催化劑的電化學(xué)活性低，且易發(fā)生中毒。提高工作溫度不僅可以解決此類問題還有利于催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，有利于提高燃料電池的整體效能。因此，研究中溫、不加濕條件下導(dǎo)電的膜材料是PEMFC領(lǐng)域亟待解決的問題之一。
　　離子液體(Ionic Liquid，IL)由陰離子和陽(yáng)離子構(gòu)成，是一種可以在中溫條件下傳導(dǎo)質(zhì)子的熔融鹽。但液態(tài)的IL需要搭載才能應(yīng)用于PEM。高聚物有著良好的熱穩(wěn)定性和一定的機(jī)械強(qiáng)度，可以作為載體。但這種復(fù)合膜有IL滲

3、漏的問題。因此有必要引入能增加離子液體保留的固體氧化物，如氧化硅。
　　本文使用正硅酸乙酯(TEOS)、高聚物磺化聚醚醚酮(SPEEK)與離子液體N,N-二乙基-甲基三氟甲基磺酸鹽([dema][OTf])制備復(fù)合膜。研究了復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能、離子液體流失及其溶脹等性能，并研究了在中溫、不加濕條件下，復(fù)合膜電導(dǎo)率，其主要結(jié)果如下:
　　1)通過溶膠-凝膠技術(shù)使用不同磺化度的SPEEK與TEOS以及[dema][

4、OTf]離子液體成功制備了SP/SiOx/OTf復(fù)合膜，為了與之對(duì)比制備了SP/OTf復(fù)合膜。所制備復(fù)合膜厚度在0.2～0.4mm之間;
　　2)紅外光譜結(jié)果表明，SPEEK與IL間存在分子間作用力，網(wǎng)狀氧化硅的引入，由于硅羥基與IL以及SPEEK存在相互作用，使分子間作用力加強(qiáng)，復(fù)合膜展現(xiàn)出良好的化學(xué)穩(wěn)定性;
　　3) TG結(jié)果表明，SP/OTf復(fù)合膜在250℃以內(nèi)有良好的熱穩(wěn)定性，而硅氧烷的加入使SP/SiOx/OTf復(fù)

5、合膜中磺酸基團(tuán)的熱穩(wěn)定性進(jìn)一步提高;
　　4)離子液體流失結(jié)果表明，SP/OTf復(fù)合膜中，隨著SPEEK磺化度的提高可以減少IL的流失但會(huì)增加復(fù)合膜的溶脹，而氧化硅的加入不僅能進(jìn)一步減少SP/SiOx/OTf復(fù)合膜中IL的流失，還可以解決復(fù)合膜過分溶脹的問題;
　　5)動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析結(jié)果表明，氧化硅的引入使SP/SiOx復(fù)合膜變得柔軟，離子液體加入后SP/SiOx/OTf復(fù)合膜剛性進(jìn)一步減小，展現(xiàn)出柔韌、不易碎的特點(diǎn);