双交联型有机-无机质子交换膜的制备及甲醇、质子传导机理研究

质子交换膜燃料电池（PEMFC）在军事、科技、民用等领域具有广阔的应用前景，研究制备质优价廉的PEM是PEMFC扩大实用化和商业化的先决条件。本课题以含可交联基团的磺化聚芳醚酮（SPAEK）和功能性二氧化硅纳米粒子为主要原料，通过光或热引发交联及成膜过程中硅羟基的自交联制备有机-无机相间以强相互作用(共价键)结合的双交联型有机-无机质子交换膜材料。采用该方法不仅可以克服常规方法制备有机-无机PEM时无机粒子易团聚、与有机体相容性差等缺点，而且有望解决磺化聚芳烃系列PEM普遍存在的电导率、溶胀性和尺寸稳定性三者之间的平衡问题。我们将对该系列膜的微结构与水传递特性以及甲醇、质子传导机理进行深入系统的研究，探索膜微观结构与宏观性能之间的一般性规律，建立膜结构-性能与燃料电池性能之间的构效关系。本课题的研究将为质优价廉PEM的制备提供新的思路与理论依据，这对于推动PEMFC的发展具有重要意义。

本项目以高性能有机-无机杂化质子交换膜为研究对象，研究膜的微观结构与宏观性能之间的一般性规律，结合膜材料的结构形态分析、质子传导率及阻醇性能等测试结果探索其质子、甲醇传递机理以及膜材料与水分子相互作用机理。建立膜的组成、结构与性能之间的关系。按项目计划完成了工作内容，取得的具体成果主要包括：.1) 通过溶胶-凝胶法制备了不同粒径二氧化硅纳米粒子，并研究了正硅酸乙酯的用量、醇水比及催化剂的用量对制备二氧化硅纳米粒子的影响。通过条件优化选择，最终得到了粒径分布均一的二氧化硅纳米粒子。并通过使用带有可反应基团的硅烷偶联剂对得到的二氧化硅纳米粒子进行其表面功能化修饰，最终得到了表面带有可反应基团功能化修饰的二氧化硅纳米粒子。.2) 我们通过层层组装技术，将含硅磺化聚苯乙烯/丙烯酸酯纳米乳液与壳聚糖进行组装，制备了具有多层结构的有机-无机质子交换膜。经过加热交联后形成具有多层结构的双交联型有机-无机质子交换膜。制备得到的双交联型有机-无机质子交换膜具有较好的热稳定性，高的选择性，综合性能优异。.3) 我们通过将含硅磺化聚苯乙烯/丙烯酸酯纳米乳液与聚乙烯醇组合制备了具有高选择性的双交联型有机-无机质子交换膜。分别经过化学交联和热交联后形成具有有高选择性的双交联型有机-无机质子交换膜。高选择性的双交联型有机-无机质子交换膜的热稳定性及综合性能满足应用要求。.4) 通过将含硅乳液PMVA加入到聚乙烯醇溶液均匀分散后涂覆在玻璃板上进行干燥及加热交联制备了含硅聚乙烯醇基有机-无机质子交换膜。含硅聚乙烯醇基交联型有机-无机质子交换膜性能优异，价格低廉，热稳定性好，选择性高，在质子交换膜燃料电池的应用中有巨大的前景。