聚有机硅氧烷膦酸基高温低湿度质子交换膜的研究

质子交换膜燃料电池（PEMFC）用高温低湿度质子交换膜是PEMFC研究人员正在攻克的一个难题。本项目提出采用硅氢化反应合成己基膦酸三甲氧基硅烷，然后通过溶胶-凝胶的工艺将这个带有膦酸基团的柔顺分子链化学键和到聚有机硅氧烷有机-无机杂化材料母体材料的硅氧网络中，并可以将其他的膦酸分子桥接起来，在膦酸分子之间形成质子传递，真正实现无水质子导电，解决聚有机硅氧烷膦酸基质子交换膜在高温低湿度条件下质子电导率较低的问题。本项目主要研究己基膦酸三甲氧基硅烷的室温硅氢化反应制备条件以及不同水解前驱体的配比、溶胶凝胶温度以及羟基亚乙基二膦酸加入量对膜微观结构和外观形貌的影响；重点研究制备条件对质子交换膜质子电导率、热稳定性和力学性能的影响以及该质子交换膜质子电导率的温度依赖性、湿度依赖性。研究结果将对高温低湿度质子交换膜的研究方向开辟了一个切实可行的新领域。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）用高温低湿度质子交换膜是PEMFC 研究人员正在攻克的一个难题。采用膦酸作为质子传导单元来制备高温低湿度质子交换膜是主要研究方向之一。本项目按照资助项目计划书以及年度研究计划要求，分别以以γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）、2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷（EHTMS）、3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和羟基亚乙基二膦酸（HEDP）、氨基三甲叉膦酸（ATMP）为原料，采用溶胶-凝胶法制备了几种聚有机硅氧烷膦酸基高温低湿度质子交换膜；研究了凝胶温度、成膜温度以及Si/P比对膜微观结构和外观形貌的影响，通过调整杂化膜内有机与无机成份的比例以及膦酸的含量，获得了厚度约100μm、柔韧并具有一定力学强度的自支撑膜；重点研究了GPTMS/HEDP，EHTMS/ATMP高温质子交换膜和APTES/ATMP酸碱质子交换膜，研究结果显示膦酸基团被化学键合到了聚有机硅氧烷有机-无机杂化材料母体材料的硅氧网络中，防止了膦酸的泄漏，膜的热稳定性可达到250℃，“无水”质子电导率随温度增加而增加，在120-140℃时为10-2-10-3 S/ cm，但是膜的低温电导率和力学强度还有待提高，详细的研究结果见报告正文。总之，在项目组成员以及研究生的努力下，很好地完成了该项目，发表SCI论文3篇，中文核心期刊2篇，申请中国发明专利5项（授权2项），参加了国内燃料电池和电化学会议2次，邀请日本原子能研究所高性能聚合物研究组的Tetsuya YAMAKI高级研究员来本实验室访问交流，培养了硕士研究生3名，研究成果数量达到资助计划任务书的要求。