PBI/功能石墨烯复合膜的制备、微相结构及膜中OH-传导机制

Alkaline polymer electrolyte membrane fuel cells (APMFCs) are a kind of devices which could use the cheaper metals (such as nickel and iron) as the catalysts. However, the low alkaline stability and low conductivity of the polymer electrolyte membrane (APM) limit the application and development of APEFCs. In this proposal, PBI/imidazolium-functionalized graphene (Im-G) composite APMs will be prepared. New structure of imidazolium salts with enhanced alkaline stability will be designed and synthesized, and the hydrophobic-hydrophilic Im-G will be obtained by the surface modification of graphene with imidazolium salts. The conductivity of the composite APMs will be enhanced by the adjustment of free volume and the ion transport channels formed in the membranes. The properties of the APMs, such as water uptake, swelling degree, ionic exchange capability, conductivity, alkaline stability and the performance in a fuel cell will be thoroughly investigated. This project will suggest a feasible approach for enhancing the chemical stability, conductivity of APEs This project is important to understand the microstructure of APEs affect on the transfer characteristic and the transmission mechanism of OH-, and has a very important significance on the development of APMs.

碱性聚合物电解质膜燃料电池(APMFCs)由于可以使用Ni、Fe等非贵金属催化剂受到广泛关注。然而，现存的碱性聚合物电解质膜(APMs)耐碱性差、电导率低的缺点限制了APMFCs的应用和发展。 本项目针对现存APMs的上述两个关键问题，设计合成新型高耐碱性咪唑盐，制备具有疏水-亲水结构的咪唑盐表面修饰石墨烯（Im-G），通过掺杂Im-G制备PBI/Im-G复合型APMs。Im-G不仅与聚合物具有很好的相容性，还能通过调控APMs的自由体积和构建离子传递通道提高APMs的电导率。将对复合膜的各项性能进行系统研究，为提高APMs的耐碱性和电导率提供新的方法，理解膜的微观结构对OH-传递特性和传递机制的影响，为新型APMs的制备提供理论和实践基础。

膜电极是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFCs)的核心组件，由聚合物电解质膜(PEMs)和催化剂等组成。PEMs起到传导离子，阻隔燃料的作用，其性能的好坏决定着PEMFCs的性能和寿命。铂基催化剂是最常用的燃料电池催化剂，但是铂价格昂贵、储量有限，且铂纳米粒子极易团聚影响燃料电池性能。因此，制备新型高性能PEMs和低载铂量催化剂对PEMFCs的发展至关重要。.针对这些问题，本项目以3，3'-二氨基联苯二胺和2，2'-双(4-羧基苯基)六氟丙烷为单体，通过缩聚法制备了含氟聚苯并咪唑(FPBI)，提高了PBI的溶解性，并制备了包括氧化石墨烯、氮掺杂型三维石墨烯等纳米材料，通过化学修饰的方法制备得到两性离子修饰及咪唑型离子液体修饰的功能氧化石墨烯，一方面使其具备离子传导能力，另一方面提高其与聚合物的相容性。将功能氧化石墨烯掺杂到FPBI中制备FPBI/功能氧化石墨烯复合PEMs。研究发现随着功能氧化石墨烯添加量的增加，PEMs的吸水率、电导率、甲醇渗透率等都呈现增加趋势，但其甲醇渗透率仍远远好于Nafion膜。当ZC-GO的质量分数提高到25%时，膜的电导率高达到4.12×10-2 S cm-1。研究结果表明掺杂功能氧化石墨烯材料是提高聚合物电解质膜各项性能的有效途径。另外，我们还制备了共价键连接的氮掺杂三维石墨烯（R3DNG），并以R3DNG为载体，制备了一系列贵金属纳米粒子/氮掺杂三维交联石墨烯复合催化剂材料，一方面贵金属纳米粒子在R3DNG上的分散有助于减小贵金属纳米粒子的团聚，另一方面R3DNG和贵金属纳米粒子之间的协同作用，有利于提高复合催化剂材料的电化学性能。选取自制PBI基的PEMs和Pt/R3DNG催化剂，组装燃料电池。单电池最大功率密度为21.45 mW cm-2，同等条件下Pt-3DNG催化剂的化能略优于商业Pt/C催化剂，具有很好的应用前景。.本项目的研究为新型PEMs、高效低载铂量催化剂的制备提供了新思路，对PEMFCs的发展和应用有积极的推动作用。