碱性直接甲醇燃料电池用嵌段型碳氢系阴离子交换膜研究

季铵化碳氢系聚合物膜作为碱性直接甲醇燃料电池（ADMFC）用阴离子交换膜具有很高的应用潜力，但其离子电导率及在碱性条件下的稳定性仍有待改进。本项目以聚苯醚砜体系为研究对象，通过分子设计及结构优化开发具有较高电导率、尺寸稳定性和水解稳定性及低甲醇透过率的季铵化侧链型多嵌段阴离子交换膜。采用的方式主要有：1）合成侧链功能单体及聚苯醚砜，将季铵基团引入聚苯醚砜侧链，提高电导率和季铵基团稳定性；2）采用嵌段共聚方式制备侧链型嵌段季铵化聚苯醚砜，形成亲水-疏水微相分离结构，提高电导率；3）引入聚酰亚胺链段，制备新型嵌段季铵化（侧链型聚苯醚砜-b-聚酰亚胺）阴离子交换膜，提高稳定性及阻醇性能。在综合考察此类阴离子交换膜性能的基础上，解明其结构-性能关系及降解机理。为开发其它种类高性能ADMFC用碳氢系阴离子交换膜提供思路及理论依据。

采用甲醇溶液为燃料的直接甲醇燃料电池具有启动快，效率高，环境友好等优点，在便携式移动电源领域有非常广阔的应用前景。季铵化碳氢系聚合物膜作为碱性直接甲醇燃料电池用阴离子交换膜具有很高的应用潜力，但其离子电导率及在碱性条件下的稳定性仍有待改进。本项目以聚苯醚砜体系为研究对象，通过分子设计及结构优化开发具有较高电导率、尺寸稳定性和化学稳定性及低甲醇透过率的嵌段型季铵化聚芳醚砜阴离子交换膜（bQPAES），并与无规型（rQPAES）及序列式（sQPAES）季铵化聚芳醚砜阴离子交换膜进行了对比研究。在此基础上，通过交联、复合及无机纳米材料掺杂处理等方式对制备的膜材料进行了改性研究。通过溶液浇铸法制备的三甲胺季铵盐型及咪唑啉季铵盐型bQPAES膜柔韧结实，在高温水中（30-80oC）表现出各向同性的尺寸变化，膜的吸水率、尺寸变化率及电导率均随着温度的升高而升高，离子交换容量（IEC）的增大而增加，随着亲水链段单元长度的增加而增加，如亲水链段长度为20，IEC为2.26mmol/g的三甲胺季铵盐型bQPAES膜，离子电导率为25.2~71.8mS/cm。同等IEC条件下，与三甲胺季铵盐型bQPAES膜相比，咪唑啉季铵盐型bQPAES膜的吸水率略低并且具有可比的电导率。与具有相似化学结构和IEC的rQPAES及sQPAES相比，bQPAES膜显示出对水分子有较低的亲和力、更好的机械性能、尺寸稳定性、耐碱稳定性及可比的离子电导率。如咪唑啉季铵盐型bQPAES膜（0.67-1.10mmol/g）膜在强碱溶液中经144h浸渍后电导率降低幅度均低于25%。经过进一步的交联、复合或无机纳米材料掺杂改性处理后，在不牺牲离子传导率的前提下，该类膜的机械强度、尺寸稳定性及化学稳定性均有较大幅度提高。在综合考察所制备的季铵化聚芳醚砜阴离子交换膜性能的基础上，基本解明了它们的结构-性能关系，为开发其它种类高性能ADMFC用碳氢系阴离子交换膜提供思路及理论依据。作为对比研究，通过亲核取代进行反应得到一系列支链交联型PAEK-gc-SPAES聚合物。结果证实侧链型的亲水低聚物在聚合过程中同时充当了交联剂。原子力显微镜图谱显示出清晰的亲水-疏水微相分离结构。尽管IEC相对较低，但是这类聚合物电解质膜在低湿度条件下仍然维持了的较高的电导率。

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