纳米晶纤维素增强磺化聚芳醚复合型质子交换膜的制备、微结构和性能研究

Fuel cell that can efficiently convert chemical energy into electrical energy is an attractive environment-friendly green power source in the future. As the key component of the polymer electrolyte membrane fuel cells and direct methanol fuel cells, the development of the high-performance proton exchange membranes is crucial. This project intends to incorporate the nano-crystalline cellulose obtained by miniaturization and surface chemical modification into the sulfonated polyarylethermatrix having a specific chemical structure. By using the high strength and polyhydroxy hydrophilic characteristics of nanocrystalline cellulose, a new class of nanocrystalline cellulose-enhanced sulfonated polyarylether composites will be prepared for proton exchange membranes. Through building three-dimensional proton transport network channels and strengthening the interaction of the fiber-matrix interface, we hope to achieve the composite membranes having the improved overall performance including proton conductivity, mechanical strength, dimensional stability, methanol resistance and oxidation stability and other properties. Through the chemical cross-linking or acid- base interactions between binary components, we will hope to achieve optimal performance. Through studying the relationships of the chemical composition, microstructure and properties, the project will create the construction methods of the micro-structure in favor of proton transfer, and propose the theories of performance enhancement. The results can provide theoretical guidance for the research and development of the new proton exchange membranes featured by high stability and high proton conductivity.

燃料电池能够将化学能高效地转变为电能，是备受关注的未来绿色清洁能源。作为聚合物电解质膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的核心部件，高性能质子交换膜的研发是关键环节。本项目拟在具有特定化学结构的磺化聚芳醚聚合物基体中，引入经细微化处理和表面化学修饰的纳米晶纤维素，利用纳米晶纤维素特有的高强度和多羟基亲水特性，制备出一类新型纳米晶纤维素增强磺化聚芳醚的复合型质子交换膜。通过有利于质子传输的立体网络通道的构筑和纤维-基体界面间相互作用的加强，实现复合膜的质子传导率、力学强度、尺寸稳定性、阻醇性和抗氧化性等性能的全面提高。通过聚芳醚基体和天然纤维增强组分间的化学交联或酸-碱相互作用，实现复合膜综合性能的最优化。本项目将通过系统研究复合膜化学组成、微结构和性能的关系，探讨有利于质子传输的微结构构筑方法和“性能增强”机制，为高稳定性和质子传导率的新型质子交换膜的研发提供理论指导。

燃料电池能够将化学能高效地转变为电能，是备受关注的未来绿色清洁能源。作为聚合物电解质膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的核心部件，高性能质子交换膜的研发是关键环节。本项目在具有特定化学结构的磺化聚芳醚聚合物基体中，引入了经表面化学修饰的纳米晶纤维素(NCC)，利用其特有的高强度和多羟基的亲水特性，制备出一类新型NCC增强磺化聚芳醚的复合型质子交换膜。通过有利于质子传输的立体网络通道的构筑和纤维-基体界面间相互作用的加强，实现了复合膜的质子传导率、力学强度、尺寸稳定性、阻醇性和抗氧化性等性能的全面提高。通过对聚芳醚基体的结构设计及其与NCC增强组分间的化学交联或离子键作用，实现了复合膜综合性能的最优化。并通过系统研究复合膜化学组成、微结构和性能的关系，探讨了有利于质子传输的微结构构筑方法和“性能增强”机制，为高稳定性和质子传导率的新型质子交换膜的研发成功提供了理论指导。. 本项目首先制备了磺化纳米晶纤维素(sNCC)/磺化聚醚醚酮酮复合质子交换膜，当sNCC含量为4%时，拉伸强度可达35.9 MPa。80 oC下质子传导率为0.115 S cm-1，较纯膜提高了47%。为进一步提高复合膜的质子传导率，制备了sNCC复合磺化含芴聚醚醚酮酮质子交换膜，得到的sNCC含量为5%时的纳米复合膜80 oC下质子传导率为0.242 S cm-1，高于Nafion膜（0.116 S cm-1）。本项目还用后磺化方法制备了不同含茐单元含量的共聚物，通过亲疏水链段的设计使聚合物形成了微相分离，促进了质子传输通道的形成，90 oC时质子传导率达到0.245 S cm-1。另外，本项目对sNCC进行改性，成功制备了氨基化纳米晶纤维素（Am-sNCC），并制备了离子交联复合膜。由于Am-sNCC 上的-NH2与聚合物链上的-SO3H之间的离子键作用，该膜呈现优异的力学性能。80 oC下质子传导率高达0.14 S cm-1，较纯膜提高了70%。同时，由于离子交联网络的存在，质子交换膜的尺寸稳定性比较理想。研究表明，NCC复合质子交换膜综合性能优异，具有很好的应用前景。. 基于本项目的研究成果和资助，发表了SCI及EI收录文章16篇， 公开了9项国家发明专利，其中5项获得授权，圆满完成了项目中的各项指标。