高电导率稳定交联网络结构质子交换膜的制备及性能研究

基本信息
批准号:51373092
项目类别:面上项目
资助金额:80.00
负责人:陈新兵
学科分类:
依托单位:陕西师范大学
批准年份:2013
结题年份:2017
起止时间:2014-01-01 - 2017-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:陈沛,翁强,朱生勃,徐亦为,张莉娜,王文娟,王寿平,王艳慧,胡昆
关键词:
交联网络结构磺化聚合物燃料电池质子交换膜
结项摘要

Polymer electrolyte membranes (PEMs) are one of the key materials for fuel cell. Whereas how to solve the contradiction between a high proton conductivity and good stabilities is now the hot spot of development for PEMs and bottlenecks in PEM application. A novel idea is proposed according to the structure factor resulting to the contradiction, where PEMs with certain structure characteristics for high proton conductivity and network structure stabilized by multiple cooperative interactions will be constructed. Series of novel benzil monomers containing multiple active sites will be designed and synthesized. Series of crosslinkable side chain-type or main/side chain-type sulfonated polymer with high oxidative stability will be prepared via direct copolymerization of the monomers. A novel construction method for crosslinked PEMs stabilized by multiple cooperative interactions will be build up, where covalent/ionic/hydrogen bonding crosslinking structure will be formed via series reactions, such as cycle condensation of benzil group in side-chain, nuclei substitution of phenol groups, et al. The forming rule of the crosslinking structure will be discovered by measuring the structure of PEM prepared under different conditions. The correlation between the structure and properties of PEM will be revealed via studying the performances of PEM such as proton conductivity, stability, et al. The effection of cross-linked network structure on improving the performance of PEM will also be found. Cross-linked PEM with both high proton conductivity and high stability will be expected to be prepared,and a method for dissolving the the contradiction will be developed.We believe that,the development of design and preparation of PEM materials will be achieved, and the application of PEM will also be promoted through the project.

质子交换膜(PEM)是燃料电池的关键材料之一。PEM高电导率与其高稳定性之间的矛盾是目前PEM研究关注的热点和PEM应用的瓶颈。依据引起该矛盾的化学结构因素,本课题提出"在保持高电导率结构优势基础上,构建含多重交联网络结构的高稳定性PEM"策略。拟在合成结构新颖并含多活性位点的偶酰单体基础上,通过单体的缩聚反应,制备高抗氧化性可交联侧链或主/侧链复合磺化聚合物。进一步利用侧链偶酰基的缩环或酚羟基的亲核取代反应,制备含共价/离子/氢键等多重作用力协同交联网络结构的PEM;通过表征PEM结构,阐明交联结构随制膜条件变化的形成规律。研究PEM的电导率和稳定性等性质,揭示PEM结构与其性能的关系;阐明交联网络结构对于提升PEM性能的作用机理。期待制备的交联PEM在保持高电导率的同时具有高稳定性,解决PEM高电导率与其高稳定性之间的矛盾问题,实现PEM材料设计和制备技术的进步,促进PEM的应用研究。

项目摘要

质子交换膜(PEM)是燃料电池的关键材料之一。PEM高电导率与其高稳定性之间的矛盾是目前PEM研究关注的热点和 PEM应用研究的瓶颈。依据引起该矛盾的化学结构因素,本项目提出“在保持高电导率结构优势基础上,构建含多重交联网络结构的高稳定性 PEM”策略。在此基础上,设计合成了三种多活性位点的二氟芳香单体(DFDMED,DFTMP和AODFMED),通过缩聚反应制备了系列可交联侧链磺化聚合物。进一步利用侧链偶酰基的缩环反应,制备了含共价/离子/氢键等多重作用力协同交联网络结构PEM。研究结果发现,DFDMED基侧链磺化嵌段型聚醚砜表现出高的电导率(2.05 mequiv/g,80 oC时225 mS/cm);DFTMP基侧链磺化聚醚砜虽然离子交换容量(IEC)较低(1.88 mequiv/g),但是其电导率较高(80 oC时208 mS/cm),归因于其高密度的磺化侧链结构。相应的交联膜表现出较低的吸水率、尺寸变化率、甲醇渗透率和较高的抗氧化稳定性,同时其电导率会有一定程度的下降。TEM研究表明,侧链和嵌段结构有利于亲水的磺化基团聚集构建离子通道,因而PEM电导率高;喹喔啉交联结构可以显著提高PEM的尺寸和化学稳定性,进而有助于实现PEM高电导率与高稳定性之间的平衡。在PEM研究的基础上,我们将相应的策略应用于阴离子交换膜(AEM)研制。设计合成了三种新型侧链结构二氟芳香单体(DFDB,DFDM和DFBDM),并制备了基于这三种单体的系列阴离子交换膜。通过引入了季铵盐和咪唑盐两种离子功能基团,研究了不同离子交换基团以及交联结构对膜性能的影响。研究结果发现,DFDM基侧链季铵盐嵌段型聚醚砜(1.15 mequiv/g)表现出优异的性能,其80 oC时电导率达到86.3 mS/cm,耐碱性较高。本项目研究结果为新型单体及高性能聚合物电解质膜材料的设计和开发提供了理论和技术支持。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

人β防御素3体内抑制耐甲氧西林葡萄球菌 内植物生物膜感染的机制研究

人β防御素3体内抑制耐甲氧西林葡萄球菌 内植物生物膜感染的机制研究

DOI:
发表时间:2017
2

粉末冶金铝合金烧结致密化过程

粉末冶金铝合金烧结致密化过程

DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.008
发表时间:2018
3

黏粒阳离子交换量估测模型的优化研究

黏粒阳离子交换量估测模型的优化研究

DOI:10.11766/trxb201909090428
发表时间:2021
4

农牧交错带半干旱草地生态系统CO2交换对短期不同水平氮添加的响应

农牧交错带半干旱草地生态系统CO2交换对短期不同水平氮添加的响应

DOI:10.11686/cyxb2018409
发表时间:2019
5

滑膜软骨瘤:如何提高诊断准确率和治疗中肿瘤细胞的清除率

滑膜软骨瘤:如何提高诊断准确率和治疗中肿瘤细胞的清除率

DOI:
发表时间:2019

相似国自然基金

1

交联型全氟阻醇质子交换膜制备及性能研究

批准号:20904031
批准年份:2009
负责人:李磊
学科分类:B0204
资助金额:19.00
项目类别:青年科学基金项目
2

双交联型有机-无机质子交换膜的制备及甲醇、质子传导机理研究

批准号:21106052
批准年份:2011
负责人:钟双玲
学科分类:B0809
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
3

高稳定高兼容性离子凝胶型高温质子交换膜的构筑机理及性能研究

批准号:21506086
批准年份:2015
负责人:刘飒
学科分类:B0809
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
4

环烯烃开环易位交联型聚苯并咪唑质子交换膜的制备及其燃料电池性能研究

批准号:21706226
批准年份:2017
负责人:崔梦冰
学科分类:B0804
资助金额:22.00
项目类别:青年科学基金项目