直接甲醇燃料电池用磺化聚醚醚酮质子交换膜

在回顾近年来直接甲醇燃料电池用磺化聚醚醚酮(SPEEK)质子交换膜的发展历程基础上,分别综述了制膜材料SPEEK的合成和SPEEK质子交换膜的制备研究进展,重点总结了SPEEK质子交换膜的电导率和阻醇性能及其稳定性的影响因素和影响规律,其中包括制膜材料和溶剂以及工艺、SPEEK的共混改性、SPEEK的填充改性或多层复合结构的影响,进而分析了高性能SPEEK质子交换膜的开发研究前景.     

燃料电池用磺化聚醚醚酮薄膜的研究进展

概述了近几年来燃料电池用磺化聚醚醚酮(SPEEK)质子交换膜的研究进展,分别从聚醚醚酮(PEEK)磺化制备SPEEK、SPEEK薄膜的制备和改性SPEEK薄膜等几个方面总结了SPEEK质子交换膜的研究结果,并分析展望了研究工作的发展趋势.     

磺化聚醚醚酮/蒙脱土复合型质子交换膜制备与性能

以磺化聚醚醚酮(SPEEK)为基体,以有机改性的蒙脱土(OMMT)为无机相,采用溶液插层法成功制备出了可望应用于直接甲醇燃料电池的SPEEK/OMMT复合型质子交换膜.通过X射线衍射(XRD)表征了复合膜的微观结构,并采用交流阻抗和隔膜扩散方法分别考察了复合膜的质子传导性能和阻醇性能.结果表明,蒙脱土的片层间距超过4.4 nm,SPEEK高分子链已插层到蒙脱土片层之间.与纯SPEEK膜相比,SPEEK/OMMT复合膜的质子传导率有所降低,但在90℃也达到了1.2×10-2S/cm的水平,而且蒙脱土的加入明显地降低了SPEEK膜的甲醇渗透率.     

DMFC用磺化聚醚醚酮/聚苯胺共混型质子交换膜的研究

磺化聚醚醚酮膜(SPEEK)是直接甲醇燃料电池(DM FC)用质子交换膜的候选材料之一,但是当温度和磺化度(D S)较高时,该膜在甲醇水溶液中溶胀非常严重,甚至溶解,其使用温度受到限制。将磺化度为50.11%的SPEEK和聚苯胺(PAN I)共混制膜,希望利用酸碱之间的相互作用对SPEEK进行改性。研究结果表明,PAN I的加入使SPEEK/PAN I共混膜的使用温度有较大提高,并且该膜还具有较高的电导率和较好的阻醇性能。     

交联结构磺化聚醚醚酮质子交换膜的制备与性能EI北大核心CSCD

采用3种具有不同链段长度、分子结构的硅氧烷二胺与磺化聚醚醚酮(SPEEK)反应,制备了3种具有不同交联结构的磺化聚醚醚酮质子交换膜。通过傅里叶变换红外光谱证实了交联结构的存在。通过热重分析仪、万能材料试验机和电化学综合站,研究了不同硅氧烷交联结构对质子交换膜的力学性能、热稳定性、水中尺寸稳定性、甲醇渗透率、可交换阳离子容量和质子传导率等性能的影响。结果表明,交联改性可大幅度提高SPEEK膜的力学性能、阻醇性能以及尺寸稳定性。使用含苯环结构的硅氧烷二胺(PMS)制备的交联结构质子交换膜具有最好的综合性能。相较于SPEEK纯膜,SPEEK/PMS交联质子膜的甲醇渗透系数由2.28×10^(-6) cm^2/s减小到1.89×10^(-7) cm^2/s,有效选择性是纯膜的5.6倍,溶胀比降低了59.7%。     

交联结构磺化聚醚醚酮质子交换膜的制备与性能

采用3种具有不同链段长度、分子结构的硅氧烷二胺与磺化聚醚醚酮(SPEEK)反应,制备了3种具有不同交联结构的磺化聚醚醚酮质子交换膜。通过傅里叶变换红外光谱证实了交联结构的存在。通过热重分析仪、万能材料试验机和电化学综合站,研究了不同硅氧烷交联结构对质子交换膜的力学性能、热稳定性、水中尺寸稳定性、甲醇渗透率、可交换阳离子容量和质子传导率等性能的影响。结果表明,交联改性可大幅度提高SPEEK膜的力学性能、阻醇性能以及尺寸稳定性。使用含苯环结构的硅氧烷二胺(PMS)制备的交联结构质子交换膜具有最好的综合性能。相较于SPEEK纯膜,SPEEK/PMS交联质子膜的甲醇渗透系数由2.28×10~(-6) cm~2/s减小到1.89×10~(-7) cm~2/s,有效选择性是纯膜的5.6倍,溶胀比降低了59.7%。     

SPPESK/SPEEK共混质子交换膜的制备与性能

以耐溶胀性能较好的磺化聚芳醚砜酮(SPPESK)和吸水性较强的磺化聚醚醚酮(SPEEK)为原料,制备了SPPESK/SPEEK共混质子交换膜。考察了共混膜的水吸收率,水溶胀度,甲醇水溶胀度,甲醇渗透率及质子传导率和力学性能。80℃时,共混膜具有适当的水吸收(101%)和溶胀度(34%),较低的甲醇水溶胀度(20%),较高的质子传导率(0.212 S/cm),与SPPESK膜相比,质子传导率提高了18%。SPEEK的加入改善了共混膜的柔韧性,断裂拉伸应变从16.48%提高到30.43%。     

硅烷偶联剂改性钛酸钡对SPEEK质子交换膜性能的影响

为提高无机填料在聚合物中的分散性,利用硅烷偶联剂KH570对钛酸钡(BT)表面改性.采用溶液浇铸法制备磺化聚醚醚酮(SPEEK)/改性BT(KH570-BT)复合质子交换膜.利用透射电镜观察了改性前后BT在SPEEK基体中的分散情况并系统研究了KH570-BT掺杂量对复合质子交换膜性能的影响.结果显示,与BT相比,KH570-BT的分散性得到明显改善.将KH570-BT掺杂进SPEEK后,复合膜的质子电导率、甲醇渗透率、热稳定性及选择性均出现明显提升.室温下,SPEEK/KH570-BT-1.0复合膜的质子电导率达到63.7 mS/cm,高于同配比的SPEEK/BT-1.0(σ=57.7 mS/cm)和SPEEK(σ=58.6 mS/cm);SPEEK/KH570-BT-1.0的选择性达到20.9×10~4 S·s/cm~3,与SPEEK/BT-1.0(17.2×10~4 S·s/cm~3)和SPEEK(17.7×10~4 S·s/cm~3)相比,分别提升了21.5%和18.1%.     

直接甲醇燃料电池用质子交换膜SPEEK/SGO/SPEEK的研究

采用无水对氨基苯磺酸(SA)对氧化石墨烯(GO)进行了磺化,并得到磺化氧化石墨烯(SGO),将磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜包裹在SGO纸的两侧,制备了SPEEK/SGO/SPEEK膜作质子交换膜(PEM).通过膜性能表征可知,与SPEEK和SPEEK/GO/SPEEK膜相比,SPEEK/SGO/SPEEK膜的离子交换容量(IEC)提高,质子传导活化能(Ea)明显降低,甚至与Nafion*112膜相近,而其甲醇渗透率远低于Nafion*112膜.将膜组装成直接甲醇燃料电池(DMFC),经测试电池性能得到SPEEK/SGO/SPEEK组装的DMFC的最高能量密度在80℃和1mol/L甲醇浓度时可达42.1mW/cm~2,比商业Nafion*112膜组装的电池的最高能量密度高35.4%,明显优于SPEEK和SPEEK/GO/SPEEK膜,且电池稳定性良好,证明SPEEK/SGO/SPEEK膜在PEM的应用方面具有很大的潜力.     

磺化聚醚醚酮/聚偏氟乙烯共混膜的研究

通过溶液法将聚偏氟乙烯(PVDF)与不同磺化度的磺化聚醚醚酮(SPEEK)共混,制备了一系列不同比例的SPEEK/PVDF共混膜,通过对共混膜的结构和性能进行表征和分析,研究了聚合物的相容性对共混膜性能的影响。结果表明,低磺化度SPEEK与PVDF之间的相容性比高磺化度SPEEK好,并且低含量的PVDF与SPEEK的相容性更好。随着共混膜中PVDF含量的增加,PVDF的熔点稍微提高,结晶度逐渐增大。SPEEK磺化度的高低对PVDF的熔点影响不大,高磺化度共混膜中PVDF的结晶度大于低磺化度共混膜。SPEEK的磺化度越高,膜的吸水率越大,溶胀率越高。在SPEEK中共混入PVDF,会降低膜的吸水率,抑制溶胀。随着PVDF含量的增加,共混膜的质子电导率和甲醇渗透率呈下降趋势,总体来看,PVDF对甲醇渗透的抑制作用大于对质子传导的抑制作用,共混膜的选择性均有提高。     

测试介质对纳米CeO_2改性SPEEK膜质子电导率的影响

采用纳米氧化铈(CeO2)改性磺化度48.3%的磺化聚醚醚酮(SPEEK),通过溶液浇铸法制备用于直接甲醇燃料电池的质子交换膜.在两种介质中测试改性膜的电导率均随温度的升高而增大,与未改性膜相比却大小正好相反:在1 mol/L以盐酸溶液为电解液的测试介质中,改性膜的电导率是未改性膜的15倍,在水蒸气测试介质中,却仅为40%.红外光谱分析表明,CeO2中的铈原子与—SO3H基团中的氧原子发生配位作用.X射线衍射仪(XRD)分析可见,当复合膜浸入1 mol/L盐酸4 h前后,纳米CeO2的晶体结构未见明显变化,表明所发生的配位作用仅处于CeO2和SPEEK两个固相界面上.扫描电子显微镜(SEM)观察改性膜和未改性膜均无网络结构和微相分离,质子在膜内通过—SO3H基团之间的跃迁传导,酸溶液介质远比水蒸气有利于质子在纳米CeO2改性SPEEK膜内磺酸基团之间的跃迁.     

SPEEK/SiO2复合型质子交换膜的结构与性能

以磺化聚醚醚酮(SPEEK)为基体,通过溶胶-凝胶法制得了SPEEK/SiO2复合质子交换膜,采用扫描电镜、交流阻抗和热重分析等方法研究了复合膜的结构与性能。结果表明,SiO2与SPEEK之间的共价交联使两相间的相容性得到明显的改善,SiO2粒子以纳米尺寸均匀地分散在聚合物基体中。SiO2粒子的掺入使得复合膜的质子传导性能略有降低,但复合膜中SPEEK-SiO2-SPEEK这种共价交联结构的生成使膜的阻醇性能和溶胀性能得到了明显提高,热稳定性也有所提高。     

溶剂对溶液法制备的SPEEK质子交换膜性能的影响

本文在聚醚醚酮(PEEK)磺化反应制备相同磺化度的磺化聚醚醚酮(SPEEK)基础上,采用不同的溶剂通过溶液法制备一系列SPEEK质子交换膜,采取交流阻抗法、扩散池法和溶胀法分别评价其导质子能力、阻醇性能和溶液稳定性,探讨溶剂种类对SPEEK质子交换膜性能的影响规律.试验结果表明溶剂对所制备膜的导质子能力和阻醇性能影响依赖于溶剂分子与SPEEK中磺酸基团的相互作用,若存在越强作用,膜的导质子能力越弱,而阻醇性能越高.此外,溶剂种类对膜的吸水溶胀性能存在较小的影响,对膜表面的微孔形态存在明显的影响,并与膜的导质子能力及阻醇性能存在对应关系.综合比较不同溶剂制备膜的导质子能力、阻醇性能和吸水溶胀性能,DMAc是优于DMF和DMSo的制膜溶剂.     

Synthesis,characterization of novel silicotungstic acid incorporated SPEEK/PVA-co-ethylene-based composite membranes for fuel cell

Sulfonated polyether ether ketone (SPEEK) is prepared by the sulfonation of polyether ether ketone (PEEK). Five of the composite membranes (PSW1–PSW5) with various percentage compositions of the SPEEK, PVA-co-ethylene, and silicotungstic acid (SWA) were prepared. The prepared composite membranes were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction (XRD), and thermogravimetric analysis (TGA). Surface morphology of the composite membranes was analyzed using scanning electron microscopy (SEM). Other evaluations related to conductivities (ion exchange capacity, IEC), proton conductivity), absorptivity (water and methanol absorption), durability and mechanical properties (tensile strength and percentage elongation) were also evaluated for the composite membranes. Among the five composite membranes, composite membrane with higher SWA content, PSW5 (which has 10% SWA) showed more conductivity compared to other membranes. These composites also showed very good conductivities, mechanical properties, and durabilities. Hence, these composite membranes have the potential to be used in the development of newer proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs).     

磺化聚醚醚酮磺化度的测定及其对质子交换膜性能的影响

以聚醚醚酮（PEEK）和浓硫酸为原料,采用后磺化法制备不同磺化度的磺化聚醚醚酮（SPEEK）。采用核磁共振法测定SPEEK的磺化度,并研究了磺化度对SPEEK质子交换膜性能的影响。结果表明：磺化度高于80％的SPEEK会发生过度溶胀,而磺化度为48％～65％范围的SPEEK膜表现出较好的质子传导率、阻醇性能及抗吸水性能。     

SiO2/sulfonated poly ether ether ketone (SPEEK) composite nanofiber mat supported proton exchange membranes for fuel cells

A composite membrane of silica (SiO₂)/sulfonated poly (ether ether ketone) (SPEEK) nanofiber mat impregnated with Nafion was fabricated and evaluated for its potential use as a proton conductor for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells. The supporting SiO₂/SPEEK composite nanofibrous skeleton was prepared via electrospinning of a mixture of SPEEK solution and silica sol prepared from tetraethyl orthosilicate (TEOS). The control of hydrolysis and condensation of TEOS enabled to form entangled SiO₂ networks miscible to SPEEK solution. The prepared SiO₂/SPEEK nanofiber mat was impregnated with Nafion^® to completely fill the inter-fiber voids to prepare a dense membrane. The morphology of the nanofiber mat and the composite membrane were observed by scanning electron microscopy and the presence of SiO₂ and SPEEK in the prepared nanofibers was confirmed by FTIR spectroscopy. Proton conductivity and swelling of the membrane were measured. The H₂/O₂ single cell test using the composite membrane as a PEM was performed. At a high temperature and low humidity condition (120 °C and 40 % RH), the maximum power density was 170 mW/cm² for the Nafion-impregnated SiO₂/SPEEK (40/60 w/w) composite nanofiber membrane that was 2.4 times higher than recast Nafion (71 mW/cm²) while SPEEK film failed.