防止离子液体流失的季铵盐类离子液体基高温质子交换膜研究

The polymer electrolyte based on ionic liquids is a hot research topic for high temperature proton exchange membranes (HT-PEMFC). However, two technical bottlenecks including membranes compatibility with Pt based catalyst and release of ionic liquid in membrane should be solved urgently before their application in HT-PEMFC. This project is to explore the preparation of sulfonated polymer membranes based on quaternary ammonium salt ionic liquids with high thermal stability and proton conductivity and compatibility with Pt based catalyst through solution casting method. Modern physical and chemical characterization techniques will be used to study the mechanism of interactions between ionic liquids and polymer matrix. In addition, the sulfonated polymer/ionic liquid/SiO2 ternary system of composite membrane will be prepared by cross-linking method, ionic liquids "anchored" in the composite membrane to avoid the release of the ionic liquids in the composite membrane, and improve the long-term stability of the composite membrane, thereby increasing the life of the HT-PEMFC. It will be useful to promote the development of the HT-PEMFC.

离子液体基聚合物电解质是高温质子交换膜研究的一个热点，但是此类膜与Pt基催化剂的相容性以及膜内离子液体的流失性问题是其在高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）中应用前亟需解决的两个技术瓶颈。本项目拟采用溶液浇铸法制备耐热高电导率与Pt基催化剂相容的季铵盐类离子液体基磺化聚合物膜，利用现代物理、化学表征技术系统研究该类膜内离子液体与聚合物基体间的相互作用机理。此外，拟采用交联法制备磺化聚合物/离子液体/SiO2三元体系复合膜，将离子液体"锚定"在复合膜内，避免复合膜中离子液体的流失，提高复合膜的长期稳定性，进而提高HT-PEMFC的寿命，促进HT-PEMFC的发展。

离子液体基聚合物电解质是高温质子交换膜研究的一个热点，但是此类膜与Pt基催化剂的相容性以及膜内离子液体的流失性问题是限制其在质子交换膜燃料电池中应用的两个科学问题。本项目首先采用浓硫酸对聚醚醚酮磺化制备了不同磺化度的磺化聚醚醚酮（SPEEK)，采用中和法制备了叔铵盐类离子液体（[ (CH3CH2 )3NH+] [H2PO4-],TEAP、[ (CH3CH2 )3NH+] [HSO4-],TEAS）。其次，采用溶液浇铸法制备了磺化聚醚醚酮铵盐类离子液体二元复合膜，并探索了其制备规律，并对其进行了各种物理表征。最后为减缓或避免该类复合膜中离子液体的流失，采用原位制备纳米SiO2将其掺杂进二元铵盐类离子液体基聚合物电解质中。傅里叶红外光谱图表明制备的离子液体为TEAS及TEAP；SPEEK掺杂叔铵盐类离子液体后，由于叔铵盐离子液体以化学力与SPEEK网状结构中的磺酸基结合，导致复合膜的热稳定性下降，但同时也降低了复合膜中的离子液体流失率；CV及ORR曲线表明Pt/C催化剂与二元膜中铵盐离子液体电化学窗口相差较小，氧还原活性降低少，两者相容性较好；393K时，SPEEK75-35S的电导率达到6.936mS/cm;SPEEK96-35P达到5.721mS/cm；333K时，SPEEK96-15S开路电压为0.96V，最大功率密度为0.22W/cm2；热重测试表明二元及三元复合质子交换膜热稳定性好，均可应用于高温质子交换膜燃料电池；随着三元复合膜中SiO2质量分数的增大，膜的交联程度增强，增加了其存留水分和离子液体的能力，三元复合膜的质子电导率升高，393K时SPEEK60-35S-13%SiO2电导率最大为7.467mS/cm; 由于SiO2的网状结构与SPEEK的网状结构交联锚定了离子液体，有效减缓了膜中离子液体的流失；343K时，SPEEK75-35S-13%SiO2三元复合膜的开路电压最大为0.987V，电池性能较好。本项目在分子尺度上设计了耐热高电导率的叔铵盐类离子液体基质子交换膜，探索了叔铵盐类离子液体基磺化聚醚醚酮复合膜的制备规律，为拓展离子液体基质子交换膜在高温燃料电池中的应用提供了新的思路。本项目制备的二元及三元离子液体基复合质子交换膜具有一定的应用价值。