碱性阴离子交换膜的等离子体合成机理研究

研制和开发高性能碱性阴离子交换膜对燃料电池技术的发展具有重要的意义。本申请项目将后辉光等离子体技术应用到碱性阴离子交换膜的合成中，发展一种新的碱性阴离子交换膜合成方法。利用原子发射光谱、朗缪尔双探针、原位质谱对后辉光电容耦合等离子体特性进行诊断及分析，研究放电功率、气体压强、单体流量等对聚合膜沉积速率和微观结构的影响，利用等离子体聚合动力学模型推导聚合膜的沉积机理，结合等离子体特性，研究等离子体聚合过程中活性粒子的化学行为，揭示粒子与单体、聚合膜、聚合过程中间物相互作用的物理化学过程，阐明等离子体聚合反应中聚合、蚀刻两种作用的竞争机制，明晰碱性阴离子交换膜的等离子体合成机理，并合成出等离子体聚合碱性阴离子交换膜材料。该研究结果不仅为碱性阴离子交换膜的合成提供了一条新的技术途径，也对等离子体基本过程的认识有着重要的科研价值。

本项目发展了一种碱性阴离子交换膜合成的新方法，后辉光等离子体聚合法合成碱性阴离子交换膜，既有可能解决膜与电极之间接触电阻大、催化剂利用率较低等问题，还能提高等离子体聚合碱性阴离子交换膜中功能基团含量。通过等离子体中活性粒子能量及密度等关键参量的控制，揭示等离子体特性与聚合膜的化学结构之间的内在联系，阐明聚合过程中聚合、蚀刻两者之间的竞争机制，明晰碱性阴离子交换膜的等离子体合成机理。主要成果如下：.⑴利用后辉光等离子体高活性、低蚀刻的特点，以4-乙烯基苄基氯为单体通过后辉光等离子体聚合、季铵化、碱化这一全新的技术路线合成了季铵型碱性阴离子交换膜（QPVBC）。ATR-FTIR和XPS结果表明季铵根基团已经成功引入聚合膜的主链结构中，对XPS结果进行定量分析发现等离子体聚合碱性阴离子交换膜中离子交换功能基团含量较高，季铵根中N+的原子百分数达1.85 at%，高于Nafion 117膜中磺酸根中S的含量；SEM结果表明等离子体聚合碱性阴离子交换膜均匀、致密、没有针孔，等离子体聚合法能很好的实现膜与基底的紧密结合，将聚合膜直接沉积在电极催化剂层上，有望提高催化剂的利用率，减少膜与电极之间的接触电阻；等离子体聚合碱性阴离子交换膜具有较高的离子交换容量（1.29 mmol g–1）、含水率（66.67 wt%），高的OH–离子电导率（20℃时的OH–离子电导率为0.0331 S cm–1），较低的乙醇透过率（20℃时为2.939×10–11 m2 s–1）和较好的稳定性，在燃料电池应用中体现出巨大的优势。.⑵ 通过对光谱数据进行拟合、分析发现随着放电功率的增大，电容耦合等离子体气体温度、电子温度、电子密度及自由基浓度均增大，且变化明显，所以等离子体聚合反应过程中放电条件的控制尤为重要。.⑶阐明等离子体聚合反应过程中的聚合、蚀刻作用机制，结合不同放电功率下等离子体特性的变化不难发现，等离子体聚合反应过程中的聚合、蚀刻两种作用的竞争实质上是等离子体中具有不同作用的活性粒子之间的反应平衡。. ⑷为了实现膜内微相结构的分离，促进离子团簇和离子通道的形成并解决三甲胺溶液对电极催化剂造成毒化这一问题，探索出等离子体共聚合这一全新的技术并成功制备出了碱性阴离子交换膜（PCPNOH）。