改性石墨烯-磺化聚苯醚質(zhì)子交換膜的制備和性能研究.pdf

1、燃料電池具有零排放、環(huán)境友好、能量轉(zhuǎn)換效率高、耐用性好、比能量高等優(yōu)點(diǎn),自從概念提出以來就一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。其中,質(zhì)子交換膜作為它的核心部件,其綜合性能的提高也一直是人們攻關(guān)的難題。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的有美國(guó)杜邦公司的Nafion系列膜、美國(guó)陶氏化學(xué)公司的XUS-B204膜、日本旭化成公司的Aciplex膜等,其中屬杜邦公司的Nafion系列推廣最為成功,在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。盡管 Nafion膜有如此多的優(yōu)點(diǎn),但是其高昂的價(jià)格、甲

2、醇滲漏、耐高溫性能差等缺點(diǎn)限制了它的進(jìn)一步推廣,學(xué)者們?yōu)榇颂岢隽藘煞N改進(jìn)方法,一是改性Nafion膜,提高性能;二是尋找替代材料。基于此,我們實(shí)驗(yàn)室在前期探索的基礎(chǔ)上選擇了較為廉價(jià)的工程塑料聚苯醚(PPO)的磺化聚合物作為質(zhì)子交換膜的基體,并首次將擁有獨(dú)特二維結(jié)構(gòu)的片層石墨烯作為改性物與磺化聚苯醚SPPO復(fù)合制備質(zhì)子交換膜。
　　石墨烯的片層結(jié)構(gòu)和聚苯醚芳環(huán)主鏈的結(jié)構(gòu)差異較大,二者相容性較差,難以制備均勻的混合膜。因此需要對(duì)石墨烯

3、納米片(GNS)表面進(jìn)行改性,以改善它在磺化聚苯醚基體中的分散性,從而發(fā)揮石墨烯自身優(yōu)點(diǎn),提高復(fù)合膜的綜合性能。
　　本研究以氯磺酸作為磺化試劑,制備磺化聚苯醚,采用以下三種不同的方法對(duì)石墨烯進(jìn)行表面改性,改善石墨烯與磺化基體的相容性。然后,采用溶液鑄膜法將改性石墨烯和磺化聚苯醚混合澆注成膜,并對(duì)膜的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行表征測(cè)試。
　　1、選擇與聚苯醚能達(dá)到分子級(jí)共混的聚合物聚苯乙烯作為改性高分子。本研究首次使用了共磺化沉淀工藝,即

4、直接將改性石墨烯和未磺化的聚苯醚在氯仿中共混,通過控制氯磺酸的添加速率,使復(fù)合物在超聲條件下同時(shí)沉淀出來,有效的阻止了石墨烯的團(tuán)聚。此法所得的復(fù)合膜在離子交換容量較低的情況下,依然能達(dá)到更高的質(zhì)子傳導(dǎo)率如0.1％GNS/SPPO復(fù)合膜在90℃質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)到0.0145 S·cm-1,相比純SPPO膜0.00701 S·cm-1有了數(shù)量級(jí)上的飛躍,拉伸強(qiáng)度也提高了32%,摻雜量不多但是改善效果十分明顯。
　　2、單體2-丙烯酰胺-2

5、-甲基丙磺酸(AMPS)的側(cè)基上有酰胺鍵和陰離子基團(tuán)磺酸基?；撬峄鶊F(tuán)是良好的質(zhì)子載流體,但是 PAMPS很脆且極易溶于水,因此不能單獨(dú)作為質(zhì)子交換膜的基體。本實(shí)驗(yàn)中,我們以AMPS作為改性單體,對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行原位聚合改性,合成二維梳型氧化石墨烯(FGO),然后直接與SPPO進(jìn)行溶液共混制得復(fù)合膜。此法相較于前一種方法工藝性能更加穩(wěn)定,且在高溫時(shí)使用性能更加突出,如90℃時(shí),1%FGO/SPPO復(fù)合膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率比SPPO膜高226%。

6、
　　3、為了改善石墨烯和SPPO的相容性,我們根據(jù)相似相容原理,采用重氮鹽法,在低溫條件下,使對(duì)氨基苯磺酸重氮鹽與石墨烯片層上含有活潑氫的基團(tuán)發(fā)生耦合反應(yīng),從而在石墨烯片層的表面引入磺酸基團(tuán),最后將改性石墨烯和SPPO進(jìn)行溶液共混澆注成膜。此法不涉及高溫操作,石墨烯片層上的親水基團(tuán)可以較為完好的保存;這種改性石墨烯在溶液中分散時(shí)不會(huì)受到聚合交聯(lián)產(chǎn)生的高分子網(wǎng)絡(luò)的干擾,因此在鑄膜溶劑 DMF中的分散性較好。1.0% SGO/SPP