阴离子型多氟聚芳醚电解质膜的制备及性能研究

目前酸性电解质膜直接甲醇燃料电池面临着甲醇电氧化性能差和甲醇渗透严重这两大难题，限制了贵金属催化剂的使用，成为获得广泛应用的瓶颈之一。碱性电解质膜直接甲醇燃料电池由于采用了碱性电解质膜,许多在酸性介质中无法使用的非铂金属成为可选的催化剂已经引起了大家的普遍关注。.本申请拟在已有研究基础上设计并合成以噁唑为连接单元、结构明确的阴离子交换膜。用现代分析技术理论描述阴离子交换膜内的OH-转递、OH-/HCO3-的形成机制，揭示分子结构对离子交换膜性能的影响；研究相关基团组装体系的组成、种类对聚合物材料性能的影响和聚合工艺对分子量和分子量分布的影响；找出膜结构与电池输出性能的有效裁剪规律，建立电化学传质模型。通过对分子结构-性能与电池输出性能构-性关系的研究，了解阴离子交换膜材料分子结构的设计关键，开发出具有可控结构、功能的阴离子交换膜，为研制具有自主产权的碱性直接甲醇燃料电池开辟新途径。

通过聚合物的分子设计、合成，成功制备了基于多氟聚噁二唑芳醚体系的阴离子交换膜，对所制备的阴离子交换膜的结构性能进行了表征，并对其在碱性电解质膜燃料电池中的应用作了探究，得到主要结论如下：.1. 多氟单体与含四个甲基的双酚单体进行缩合制备得到高分子量的多氟聚合物。随着聚合时间增长聚合物分子量逐渐增大，但分子量分布宽度变化不大，约24小时后会产生凝胶。.2.采用NBS作为卤化试剂对苄甲基进行溴甲基化时，聚合物的功能化程度可以通过投料比来控制。.3.阴离子交换膜的溶解性、离子传导率、尺寸稳定性及热稳定性表征后结果表明：合成的阴离子交换膜在极性溶剂中表现了较好的溶解性，有利于膜电极的制备及电池的组装；不但具有较适中的吸水率、较好的溶胀性和热稳定性；还具有较高的离子传导率，室温下最高分别达到1.82×10-2 S cm-1（QFPAEO-2.5）、2.02×10-2 S cm-1（MFPAEO-2.5）；且随着温度的升高和离子交换膜容量的增大，离子传导率逐渐升高，最高可达4.17×10-2 S cm-1（80℃，MFPAEO-2.2），基本达到了碱性电解质膜燃料电池的要求。.4. 在相同离子交换容量下，咪唑型阴离子交换膜相比季胺型阴离子交换膜具有更高的吸水率和离子传导率。但是，相对于阳离子交换膜（Nafion膜，0.1 S/cm）相比，离子传导率（MFPAEO-2.5，2.02×10-2 S/cm）还不够高，应用于碱性直接甲醇燃料电池时将增大电池内阻。.为了提高离子传导率，可以选择碱性更强的有机碱（如胍盐）作为阴离子交换膜的离子交换基团；以及通过设计制备嵌段共聚物膜或者“侧链型”离子交换膜，使亲水的离子交换基团能更好地聚集，在膜中形成较宽、连续的离子通道，从而提高阴离子交换膜的离子传导率。