摘 要

为了制备性能优异的阴离子交换膜，本文以聚苯醚（PPO）为主体，首先采用液溴为溴化试发生溴甲基化反应，用KOH溶液进行部分羟基化，再接枝1,2-二甲基咪唑功能基团，再通过环氧开环以及3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）和正硅酸乙酯TEOS的水解反应，将无机组分引入到PPO高分子主链上，形成相应杂化膜。通过¹H NMR、FTIR和XRD表明了咪唑基团和无机组分成功的接枝在PPO主链上；TG热分析表明，所制备的杂化膜有良好的热稳定性能，在220℃仍可以稳定运行。通过对离子交换容量和吸水率分析，表明所制备的杂化膜具有良好的离子传导能力和一定的吸水率。综合来看，通过本文的制备方法制备出了性能良好的膜，显示了其在燃料电池方面具有很大的应用潜力。

关键词：杂化膜；聚苯醚；离子交换膜容量；热稳定性

Abstract

In order to prepare an anion exchange membrane with excellent performance, poly (phenylene oxide) (PPO) was used as the main body. The bromine methylation reaction was carried out with bromine bromide in the first bromide. The products were partially hydroxylated with KOH solution, Dimethylimidazole functional groups, and then through the epoxy ring and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) and ethyl orthosilicate TEOS hydrolysis reaction, the inorganic components into the PPO polymer The main chain, the formation of the corresponding hybrid film. The results of 1H NMR, FTIR and XRD showed that the imidazole groups and inorganic components were successfully grafted on the PPO backbone. TG thermal analysis showed that the prepared hybrid films had good thermal stability and stable at 220 ℃ run. Through the analysis of ion exchange capacity and water absorption, it is shown that the prepared hybrid membrane has good ion conductivity and water absorption. On the whole, the membrane with good performance was prepared by the preparation method of this paper, which shows that it has great potential in fuel cell.

Keywords: Hybrid membrane; polyphenylene ether; ion exchange membrane capacity; thermal stability

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1燃料电池概述 1

1.2 碱性膜燃料电池 1

1.3 阴离子交换膜 2

1.4 阴离子交换膜的研究现状 3

1.4.1 掺杂型阴离子交换膜 3

1.4.2 聚烯烃基阴离子交换膜 4

1.4.3 聚苯乙烯类阴离子交换膜 4

1.4.4 聚芳醚砜类阴离子交换膜 5

1.4.5 聚苯醚类阴离子交换膜 6

1.4.6 其他聚合物阴离子交换膜 7

1.5 本论文研究意义和主要内容 7

第二章 季胺化聚苯醚阴离子交换膜的制备 9

2.1试剂及使用仪器 9

2.2 PPO的溴化 10

2.3 BPPO的羟基化 10

2.4 BPPO-OH 膜的季铵化 11

2.5杂化膜的制备 11

第三章 聚苯醚系列阴离子交换膜性能分析 12

3.1性能表征 12

3.1.1 核磁共振氢谱测试（¹H NMR） 12

3.2.2傅里叶变换红外光谱测试（FTIR） 12

3.1.3 X射线衍射测试（XRD） 12

3.1.4 离子交换容量测试（IEC） 12

3.1.5吸水率测试(WU) 13

3.1.6热重测试(TG) 13

3.2结果与讨论 13

3.2.1核磁共振氢谱测试分析 13

3.2.2傅里叶变换红外光谱测试分析 14

3.2.3 X射线衍射测试分析 15

3.2.4离子交换容量和吸水率测试分析 16

3.2.5 热重测试分析 17

第四章 结论 18

参考文献 19

致谢 21

第一章 绪论

1.1燃料电池概述

随着社会的发展，人们对石油、煤炭等化石能源依赖程度日益增高。近年来，由于化石能源开采量不断增加，使得地球能源日益衰竭，并因此增加了许多开采成本。因此许多国家面临能源紧缺的局面，极大的影响了国家发展，同时化石能源过度燃烧也使得环境污染越来越严重。因此，越来越多的科研工作者开始致力于研究高效清洁能源来替代化石能源，相继开发出了风能、太阳能等清洁可再生能源。这些新的可再生能源在环境保护方面取得了很大的进步，但是其在便捷性、能源利用率上却难以满足人们要求。因此具有高能量密度、高效率和运行无污染，以及较低的维护成本的燃料电池被认为是一种有开发潜力的能源转换技术。

燃料电池是一种通过电化学反应将燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的装置，因为燃烧反应中不存在热机过程，能量损耗小，所以其有高能量转化率。而且这些电池采用的燃料是氢气、乙醇等清洁环保的燃料，这些燃料价格低廉且通过电池燃烧后只会生成二氧化碳和水，很大的保护了自然环境。同时燃料电池内部结构简单，能根据实际需要选择设计不同需求和不同运行环境的电池，可以满足大多数设备的能源需求。因此燃料电池技术成为了许多科研工作者研究的热点^[1-4]。

目前正在研究的燃料电池可分为六类:碱性燃料电池（AFC）、碱性膜燃料电池（AMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）以及熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)^[5]。不同的燃料电池具有不同的原理和应用环境，由于近年来碱性膜燃料电池的优势不断被发掘，越来越多的研究者开始研究碱性膜燃料电池，本文研究也是在此基础上展开的。

1.2 碱性膜燃料电池

在各种燃料电池中，AFC是最古老的使用浓氢氧化钾作为液体电解质的燃料电池。由于Kordesh 的许多调查，这种燃料电池的商业化，特别是在汽车应用方面，已被认为是可以实现的。然而，作为液体电解质，浓氢氧化钾溶液由于高碱度而引发了一些问题:由于燃料氢中存在的二氧化碳和电解质溶液产生碳酸化现象生成沉淀，燃料电池的产率逐渐下降，寿命缩短。但是AFC不需要任何贵金属（Pt，Pd）就能实现与PEMFC相似的产率，这使人们开始探索其问题的解决方法。碱性阴离子交换膜的出现就很好的解决了这一问题^[6-8]，同时也正是由于阴离子交换膜的发展是使得碱性燃料电池取得了大的进步。更重要的是，碱性膜燃料电池由于阴离子交换膜的使用使得其比之质子交换膜具有了很多优点: 它们可用较便宜的其他金属如钴、银或镍代替铂作催化剂，生产价格更低廉；在高pH即强碱性情况下，阴极上的氧还原速率更快；OH^-离子从阴极移动到阳极，而阳极燃料却不能通过阴离子交换膜，从而减少损失，发电效率更高。

以燃料为氢气的碱性膜燃料电池为例，它的工作原理如图 1-1所示。空气中的氧气在电池的阴极发生还原反应，然后接受两个电子还原为氢氧根离子，反应如式1-1所示。产生的氢氧根离子经过阴离子交换膜抵达阳极，与阳极的氢气相遇后发生氧化反应，生成产物水，反应如式1-2所示。在此过程中由于阴离子交换膜具有选择透过性，氢氧根离子可通过但是电子不能通过，所以电子只能通过外部从电池的负极也就是阳极到达电池的正极即阴极，从而产生电流。总化学反应如式1-3所示。