[01101114]梯度化有机-无机纳米强迫相容性互穿网络质子交换膜

开发新能源是国家重大需求，亟需解决新能源燃料电池发电问题。质子/氢氧离子交换膜本身带有正或负电荷，可以选择性地透过异性电荷离子，是决定燃料电池性能和寿命的核心部件。非氟膜可提高电池使用温度(非氟膜玻璃化温度150-300℃)，但存在电导率远低于全氟Nafion膜以及不耐水溶胀的难点问题。该项目采用互穿网络法、梯度法和有机-无机复合法制备新型质子交换膜，研究互穿网络和有机-无机相容性机理，以及离子簇结构和质子传导机理，制备的非氟膜在低湿度下具有较好的电性能和抗水溶胀性能。研究非氟聚醚醚酮(SPEEK)膜的水溶胀动力学，建立双层水核结构模型；研究不同膜中质子传导渗透阈值与电导率的关系，建立电导率与膜中亲水基团体积分率间的数学关联，揭示非氟膜中离子簇的不同形态是导致SPEEK膜低湿度下电性能差的重要原因。进而采用互穿网络法制备SPEEK/PSSA(聚苯乙烯磺酸)互穿网络质子交换膜。研究互穿网络生长动力学和相容性机理，建立互穿网络膜的伸长取向离子簇结构模型。互穿网络膜在25%低湿度下的电导率达到10-3S/cm，与Nafion膜相当，比SPEEK原膜高2个数量级；在100%高湿度下的电导率约为0.11S/cm，溶胀率约为18%，达到了该项目预定目标。采用互穿网络、梯度化、掺杂等方法添加磺酸基团改性的无机纳米颗粒，如磺化SiO2(SSA)、磺化蒙脱土等，研究有机、无机复合体系的相容性，提高质子交换膜的保水性和电导率。如40%相对湿度时，SPEEK/SSA有机-无机复合膜的尺寸稳定性与SPEEK膜相近，而水含量提高约40%，80℃的电导率提高约18.6%，比Nafion膜提高8.6%。项目组首次制备了季铵化聚醚醚酮氢氧离子交换膜，提出浓硫酸既做溶剂，又做氯甲基化催化剂的新方法，解决了聚醚醚酮不溶于常规溶剂因而不易氯甲基化的问题。进而采用较稳定的咪唑为季铵化试剂，制备季铵化聚砜氢氧离子交换膜，耐热性高达250℃，电导率达到53mS/cm，为文献报道的最高值系列。项目组还选用聚醚酰亚胺、聚醚砜为聚合物基质，实现了对氯甲基化、季铵化程度的有效控制。该项目发表学术论文9篇，其中SCI收录5篇、EI收录5篇，进行国际交流8人次，发表会议论文3篇。该项目的研究丰富了非氟膜的质子传导机理，为提高非氟膜的电导率提供了有效制备方法，可以促进新能源燃料电池性能提高。