交联型全氟阻醇质子交换膜制备及性能研究

直接甲醇燃料电池是一种有广阔应用前景的发电技术，但缺乏高阻醇和导电性能的质子交换膜材料成为制约其发展的主要瓶颈之一。本项目以提高膜阻醇和导电性能为目标，将带有可交联功能基团的全氟乙烯基单体、四氟乙烯和全氟磺酸单体进行多元共聚合，进而制备出具有交联结构的新型全氟磺酸质子交换膜。具体内容包括：带有交联点的全氟单体合成、可交联全氟树脂的制备、交联型全氟质子交换膜制备、膜性能评价等。通过深入研究树脂结构、制膜方法和工艺、膜微观结构与宏观性能之间关系，在全氟膜内部的适当位置引入交联点，以降低膜内部的微观相分离程度，使膜内部的离子簇聚集态可控，在满足质子传递的同时又可有效阻挡甲醇的渗透，进而提高电池的性能。同时由于目标膜是全氟和交联结构，具有良好的稳定性能，进而可满足燃料电池对膜的实际使用要求，推进直接甲醇燃料电池的快速发展。

本项目的目标是制备出具有高阻醇和高质子电导率的新型离子交换膜材料，使其性能优于目前常用的商品膜（美国杜邦公司Nafion117膜），满足直接甲醇燃料电池的实际使用要求。在青年自然科学基金的资助下，我们取得了如下成绩：. 1、制备出一系列具有不同交换容量的全氟磺酸离子交换膜，并研究其含水量、质子电导率、甲醇透过系数、综合选择系数等性能。研究发现，离子交换容量为0.89mmol/g膜的综合性能优于Nafion117膜(0.91mmol/g)。. 2、提出改善全氟磺酸离子交换膜性能的新方法，即采用超临界二氧化碳技术。研究发现经过超临界二氧化碳处理后，不仅可显著提高全氟磺酸离子交换膜的质子电导率和阻醇性能，同时也可大大降低了膜成本。NR212膜经超临界二氧化碳处理后组装的电池性能明显优于使用Nafion117膜的电池性能。为开发高性能、低成本的直接甲醇燃料电池提供一种解决方法。. 3、通过单体制备、多元聚合，制备出含溴基的新型全氟磺酸树脂；采用溶液流延制膜及热处理技术，最终制备出具有内部交联结构的新型全氟磺酸离子交换膜。系统研究了膜的含水量、质子电导率、甲醇透过率、机械强度和化学稳定性。当离子交换容量为1.10-1.27 mmol/g时，新型离子交换膜各项性能均优于Nafion117膜。. 4、首先证实全氟磺酸离子交换膜可作为电解质用于锂离子电池中，为开发高性能、安全的新型聚合物锂离子电池提供新思路。研究发现，采用全氟磺酸离子交换膜为电解质的锂离子电池具有优异的高温循环稳定性能。. 目前，我们共发表SCI论文9篇，包括Energy Environ Sci (影响因子9.61)3篇，Chem Commun (影响因子6.169)1篇，Electrochem Commun (影响因子4.859) 1篇，Int J Hydrogen Energy (影响因子4.054)1篇, J Power Sources (影响因子4.951) 2篇和J Electrochem Soc (影响因子2.59)1篇。申请发明专利2项。培养博士研究生1名，硕士研究生2名。部分工作被英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry）出版的《Highlights in Chemical Technology》杂志进行亮点报道。