磺化含酚酞侧基聚芳醚酮/氧化石墨烯复合质子交换膜的性能

采用共混制备了一系列磺化含酚酞侧基聚芳醚酮(SPEK-C)/氧化石墨烯(GO)复合质子交换膜,系统地研究了GO含量对复合膜性能的影响。结果表明,GO含量对膜的离子交换容量、稳定性、质子电导率和甲醇渗透率等有重要影响。复合膜质子电导率随GO含量增加而提高,GO含量为2%和5%的复合膜在80℃下质子电导率均在10^-1 S·cm^-1以上。80℃下,GO含量为5%的复合膜甲醇渗透率为6.69×10^-7 cm²·s^-1,低于同温度下复合前SPEK-C膜1个数量级。复合后膜的化学稳定性增强,离子交换容量和含水率均有提高,相对选择性明显增大,最高达SPEK-C的18.2倍。     

磺化聚苯并咪唑/磺化聚醚砜酸碱复合质子交换膜的制备与表征

为提高膜的尺寸稳定性和阻醇性能,以磺化聚苯并咪唑(S-PBI)与高磺化度聚醚砜(ABPS)两种聚合物为原料,采用溶液共混的方法,制备了系列酸碱复合质子交换膜。研究了复合膜的甲醇溶胀性、吸水率、甲醇渗透系数、质子传导率随S-PBI含量的变化规律。研究表明,随着S-PBI含量的增加,膜的阻醇性能和尺寸稳定性明显提高;同时,复合膜具有较好的质子传导率,有望应用于直接甲醇燃料电池。     

直接甲醇燃料电池用SPES/SiO_2复合膜的研究

采用溶胶-凝胶法成功制备出新型磺化聚醚砜(SPES)/二氧化硅(SiO_2)复合质子交换膜,并对复合膜的结构和性能进行了表征。结果表明,SiO_2在复合膜中分布十分均匀,并且由于SPES与SiO_2之间的氢键相互作用使复合膜的热稳定性明显提高。SiO_2的引入虽使得复合膜的质子传导率有所下降,但其阻醇性能得到了明显改善。     

EPDM/PVDF阳离子交换膜的制备

本文采用EPDM、PVDF、苯乙烯和二乙烯基苯为原料，浓硫酸为磺化剂，制备出具有互穿网络结构的阳离子交换膜。通过研究，对比不同品牌不同型号EPDM、共混基材比例、基材与苯乙烯比例、磺化时间和磺化温度对膜性能的影响。优化后的EPDM阳离子交换膜具有良好的综合性能：交换容量1.8～2.0 mol/kg，面电阻为5～6Ω·cm²，溶质扩散系数5～6×10^-3 mmol/(cm²·h·mol·L^-1)，其在电渗析过程中展现出的低电阻、低能耗和较高的电流效率，使得EPDM阳离子交换膜具备潜在的竞争优势。     

新型凝胶填充复合膜用于碱性水电解

采用多孔填充策略，以多孔聚苯硫醚(PPS)无纺布为基膜，以聚乙烯醇(PVA)凝胶作为填充物，制备出凝胶填充复合膜。通过简便的刮涂法，结合化学交联，制备出PVA填充PPS交联复合膜(PPS-PVA),该膜同时具有高离子传导率、阻气性、化学稳定性和机械稳定性。在80℃条件下，与Zirfon UTP-500商品膜相比，PPS-PVA复合膜具有低面电阻(150 mΩ·cm²)和低氢气渗透率[3.5×10^-8 mol·(cm^-2·s^-1·kPa^-1)]。在60℃、30%KOH溶液中进行碱稳定性测试，500 h后复合膜中PVA的质量仍能保持在初始值的88%左右，并且膜保持良好的机械强度。采用PPS-PVA复合膜在500 mA·cm^-2的电流密度下进行单池碱性水电解，需要电压为1.91 V,低于使用Zirfon UTP-500膜时需要的1.96 V。     

新型细菌纤维素基阻醇质子交换膜的制备及表征

以凝胶贴附法,在Nation膜两侧贴附细菌纤维素（BC）膜,制备出BC／Nation／BC夹心复合膜,以期结合Nation膜的良好导电性和BC膜的优秀阻醇性,制备新型阻醇质子交换膜。利用扫描电镜、热重分析对其形态结构和热稳定性进行研究,并对夹心膜的尺寸稳定性、质子传导率和甲醇渗透率进行表征。结果发现,复合膜的夹心结构紧密,热稳定性良好,尺寸稳定性比市售的Nation膜有很大改善,提高了43％。夹心膜的质子传导率随温度的升高明显上升,虽略低于Nation膜,但是甲醇渗透率明显降低一个数量级,阻醇性能得到了很大改善。组装成电池后,单电池开路电压达到922mV,最大发电功率密度为7．2mW／cm^2。该结果表明夹心复合膜作为新型质子交换膜应用于直接甲醇燃料电池中具有很大潜力。     

热处理蔗渣纤维素/PVA复合膜的制备及性能研究

为提高纯蔗渣纤维素膜的包装性能,通过热处理和氢键作用制备性能优良的蔗渣纤维素/聚乙烯醇(PVA)复合膜。对复合膜的结构、力学性能、阻隔性、耐水性等进行综合表征分析。结果表明,经过170℃热处理后,含4%PVA的蔗渣纤维素复合膜的综合性能最佳。由于纤维素与PVA之间氢键以及热处理后醚键的共同作用,复合膜拉伸强度与断裂伸长率分别达到了52.83 MPa和26.32%,相比纯纤维素膜分别提高了约33%和500%。PVA的引入使得复合膜的氧气透过率[0.75×10^-14 cm³·cm/(cm²·s·Pa)]相比纯纤维素膜[3.6×10^-14 cm³·cm/(cm²·s·Pa)]降低了5倍。此外,复合膜的力学性能与透氧性能对高湿度的敏感性较低,表明其有良好的耐水性。综合分析表明,复合膜在食品包装材料方面,具有潜在的应用前景。     

纳米ZnO/纤维素纳米晶/聚乙烯醇复合膜的制备及性能

采用球磨法制备的纤维素纳米晶(CNC)及市售纳米ZnO对聚乙烯醇(PVA)进行改性,改善了PVA膜的力学性能,并且,赋予其抗菌性,测试复合膜的力学性能、水蒸气透过性能及抗菌性能。结果表明,加入CNC后,提高了PVA膜的力学性能和阻湿性能,加入纳米ZnO后,复合膜对金黄色葡萄球菌具有一定的抗菌性能,并且,能进一步提高复合膜的拉伸强度,但是,降低了复合膜的阻湿性能。当CNC的添加量为3%、纳米ZnO∶CNC=2∶1(摩尔比)时,复合膜综合性能较好,拉伸强度为73.7 MPa,与纯PVA膜相比,提高了77.2%;断裂伸长率为3.8%,与纯PVA膜相比,提高了46.1%;水蒸气透过系数为3.44×10^-13 g·cm/(cm²·s·Pa),与纯PVA膜相比,提高了11.7%。     

硫酸化SnO2/SPPESK复合质子交换膜的制备及燃料电池性能

非氟聚合物磺化聚芳醚砜酮（SPPESK）具有甲醇渗透率低、化学、热稳定性高等优点,但其高的电导率需通过提高磺化度获得,导致膜因过度溶胀而失去尺寸稳定性。添加无机纳米颗粒可以有效提高膜性能,但因其表面缺少功能化基团,导致颗粒有机相容性差,阻醇性能和质子传导率不易同时提高。硫酸化改性的纳米颗粒因其表面具有酸性位点和硫酸基团,能够有效克服这一问题。本文制备表面硫酸化改性的SnO₂（SSnO₂）纳米颗粒并引入SPPESK基质制备有机无机复合质子交换膜。当SSnO₂含量不大于7.5%时,纳米颗粒具有良好的有机相容性,可均匀分散于聚合物基质。SSnO₂含量为7.5%时,80℃下复合膜吸水率（19.6%）比SPPESK原膜提高19%,接近Nafion115。颗粒诱导膜内离子簇的聚集扩大,降低了质子的传导阻力,质子传导率分别比SPPESK原膜和Nafion115膜提高48%和30%。同时,纳米颗粒增大了甲醇传递空间位阻,甲醇渗透率较SPPESK原膜和Nafion115膜分别降低46%和71%。直接甲醇燃料电池0.5V处功率密度分别比SPPESK原膜和Nafion115膜高205%和50%。     

用于甲醇燃料电池的聚砜阳离子交换膜的构⁃效关系

基于酰基化反应制备了氯丁基化聚砜（BPS）和氯戊酰基化聚砜（VPS）,再以8?羟基?1,3,6?芘三磺酸三钠（TS）为试剂经过亲核取代反应制备了侧链长度不同的芘磺酸型聚砜4PS?SA和5PS?SA,并采用注膜法制备了4PS?SA和5PS?SA系列阳离子交换膜;通过红外光谱仪（FTIR）、紫外?可见分光光度计、核磁共振仪（¹H?NMR）和原子力显微镜（AFM）测试和表征了其结构和磺酸基团含量,并探究了柔性侧链对其性能的影响。研究表明,4PS?SA和5PS?SA阳离子交换膜表现出良好的尺寸稳定性和阻醇性能;随着温度的升高,膜的吸水率、吸水溶胀率和质子传导率增加;在相同离子交换容量（IEC）下,具有较长侧链的5PS?SA尺寸稳定性和质子传导率更好,其中5PS?SA?3在室温和85 ℃下的溶胀率仅为23.7 %和39.1 %,质子传导率为0.093 S/cm和0.142 S/cm,甲醇扩散系数仅为7.09×10^-7 cm²/s,表现出很好的综合性能,有望用于阳离子交换膜燃料电池的实际生产应用。     

PVA/FA/4A复合质子交换膜的制备及性能研究

以聚乙烯醇(PVA)、富马酸(FA)和4A分子筛为原料,利用流延法制备了PVA/FA/4A复合质子交换膜,并对膜的吸水率、溶胀率和离子交换容量、甲醇透过率、电导率等性质进行了测定。结果表明:室温为20℃条件下,测得PVA/FA/4A膜的吸水率为156%,溶胀率为49.1%,离子交换容量为0.804 mmol/L,电导率为3.33×10~(-2)S/cm,甲醇渗透率为0.72×10~(-7) cm~2/S.表明PVA/FA/4A复合质子交换膜具有很好的阻醇效果和高的质子导电性。     

氮气流量对质子交换膜燃料电池316L不锈钢双极板TiN涂层性能的影响

为了提高316L双极板的耐蚀性和导电性，采用多弧离子镀方法在不同氮气流量下制备TiN涂层。使用X射线衍射(XRD)、场发射电子扫描电镜(SEM)、膜电极电阻检测设备、电化学工作站等对所制备的TiN涂层的结构及其性能进行表征。研究结果表明：(1)具有TiN涂层的316L金属双极板比没有涂层的316L不锈钢金属双极板具有能更好的耐蚀性以及导电性。(2)在模拟的质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极环境中随着氮气流量的增加具有TiN涂层的金属双极板的耐蚀性先增强后减小，接触电阻先变大后减小。当氮气流量为200 mL/min时候测的最低的接触电阻为9.62 mΩ/cm²和最低的电流密度5.19×10^-7 A/cm²,极化电阻最大为4.990×10⁴Ω,此时为最佳工艺。     

多孔有机笼在聚丙烯腈纳米纤维表面固载及其复合质子交换膜

质子交换膜（PEM）是质子交换膜燃料电池的核心部件,需具备选择性地快速传递质子的特性。多孔有机笼具有高比表面积、良好的化学稳定性和高吸水特性以及三维连通的质子传递路径,可提升PEM的质子传导性能。本文将多孔有机笼（CC3）原位固载到聚丙烯腈（PAN）纳米纤维表面,与Nafion复合制备了CC3/PAN-Nafion复合质子交换膜,对其结构和性能进行了研究,结果表明：CC3的固载改变了纤维的微观形貌,增加了纤维直径,使纳米纤维比表面积从9.57m²/g增加到113.6m²/g;将CC3/PAN引入复合膜显著提升了CC3/PAN-Nafion的热稳定性、吸水性、阻醇性以及质子传导性能,其中CC3/PAN-Nafion12在100%RH,80℃时质子传导率可达0.165S/cm,较Nafion膜提升了一倍。     

磷钨酸/二氧化硅/磺化聚醚醚酮复合膜的制备、表征与性能

以二氧化硅和磷钨酸改性磺化聚醚醚酮制得一种新型磺化聚醚醚酮复合膜。复合膜中杂多酸仍然保持着Keggin型PW12O430-阴离子的特征结构,二氧化硅和磷钨酸以无定形状态均匀分散于复合膜中。磷钨酸/二氧化硅/磺化聚醚醚酮复合膜的阻醇性能优于Nafion115;质子导电性能随着温度的提高有所增加。复合膜在磷钨酸中具有良好的稳定性。     

连续共价有机框架筛分复合膜及全钒电池性能

设计了应用于全钒液流电池的尺寸筛分效应共价有机框架/聚醚砜(COF/PES)复合膜,利用纳米片的有序交错堆叠在聚醚砜支撑层上构建了具有均匀埃米级离子传输通道的连续COF分离层。连续COF层的规整刚性骨架赋予了膜极低的溶胀比,有序的埃米级孔道(有效孔径约为0.6 nm)对氢/钒离子具有精确的尺寸筛分作用。COF/PES筛分复合膜的钒渗透率仅有0.61×10^-8 cm^-2·s^-1,质子/钒离子选择性为Nafion 212的4.0倍。电流密度为80 mA·cm^-2下复合膜的能量效率达到82.9%,优于Nafion 212(81.2%)。100 mA·cm^-2下的长循环测试中,复合膜电池容量保持率相比于Nafion 212电池提高了16.2%,表明连续COF/PES筛分复合膜在全钒液流电池中具有广阔的应用前景。     

连续共价有机框架筛分复合膜及全钒电池性能

设计了应用于全钒液流电池的尺寸筛分效应共价有机框架/聚醚砜(COF/PES)复合膜,利用纳米片的有序交错堆叠在聚醚砜支撑层上构建了具有均匀埃米级离子传输通道的连续COF分离层。连续COF层的规整刚性骨架赋予了膜极低的溶胀比,有序的埃米级孔道(有效孔径约为0.6 nm)对氢/钒离子具有精确的尺寸筛分作用。COF/PES筛分复合膜的钒渗透率仅有0.61×10^-8 cm^-2·s^-1,质子/钒离子选择性为Nafion 212的4.0倍。电流密度为80 mA·cm^-2下复合膜的能量效率达到82.9%,优于Nafion 212(81.2%)。100 mA·cm^-2下的长循环测试中,复合膜电池容量保持率相比于Nafion 212电池提高了16.2%,表明连续COF/PES筛分复合膜在全钒液流电池中具有广阔的应用前景。     

基于含氟聚苯并咪唑/磺化壳聚糖复合质子交换膜的制备与表征

通过磺化反应在壳聚糖(CS)上引入磺酸基团制得具备良好质子传导能力的磺化壳聚糖(SPCS)。以含氟聚苯并咪唑(FPBI)为基体材料,通过掺杂磺化壳聚糖制备得到FPBI-SPCS复合质子交换膜。研究了SPCS的质量分数对复合膜的机械性能、热稳定性、吸水率、溶胀度、质子电导率等性能影响。结果表明,复合膜的质子电导率随着SPCS质量分数的增加而增加,但是吸水率、溶胀度却随着SPCS质量分数的增加而下降,复合膜依然能够保持良好的机械性能和热稳定性。FPBI-SPCS复合膜在80℃下最高电导率达18.52 m S/cm,有望在质子交换膜燃料电池中得到应用。     

铜滤膜基环丙沙星分子印迹复合膜的制备、吸附性能及表面增强拉曼散射活性研究

为实现环丙沙星的快速识别，制备了可以选择性吸附环丙沙星的具有表面增强拉曼活性的铜滤膜基分子印迹复合膜。以环丙沙星为模板分子，铜滤膜为基膜，甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙酸酯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，甲醇、二氯甲烷的混合溶剂为反应溶剂和致孔剂，通过自由基聚合制备了分子印迹复合膜。红外光谱表征膜的结构，显微镜表征膜的形貌。对膜的吸附性能和表面增强拉曼散射活性进行了系统研究。复合膜为一层白色、连续、均匀的薄膜，表面光滑无裂纹。120 min左右膜对环丙沙星的吸附达到平衡，最大吸附量为8.11μg/cm²,至少可以重复使用6次，印迹因子为4.0。膜具有表面增强拉曼散射活性，对环丙沙星检测的最低浓度为1.00×10^-8 mol/L。     

BaCe_(0.8)Al_(0.2)O_3掺杂的SPEEK复合质子交换膜制备与性能

针对普通磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜质子传导率较低的问题,提出无机掺杂的改善方法。采用共沉淀法制备BaCe_(0.8)Al_(0.2)O_3复合氧化物,将其掺杂到SPEEK膜基体中,并通过溶液浇铸法制得了SPEEK/BaCe_(0.8)Al_(0.2)O_3复合质子交换膜。对复合膜的尺寸稳定性、氧化稳定性、力学性能、质子传导率及微观形貌等进行了测试与表征。结果表明,BaCe_(0.8)Al_(0.2)O_3的掺杂可有效地提高复合膜的质子传导率。其中,SPEEK-BaCe_(0.8)Al_(0.2)O_3-9复合膜的质子传导率在80℃下达到0.187 S×cm~(-1),拉伸强度达29.43 MPa,单电池最大功率密度达0.82 W×cm~(-2),几乎可与普通的Nafion质子交换膜媲美。此外,掺杂还改善了复合膜的化学稳定性。     

苯磺酸型侧链磺化聚砜质子交换膜的制备及性能研究

以环氧氯丙烷为小分子试剂,通过烷基化反应将环氧基团引入双酚A型聚砜(PSF)主链,制备侧链含有环氧基团的改性聚砜(OPSF),以OPSF为基础制备苯二磺酸型磺化聚砜(PSF-BDS),通过红外、紫外吸收光谱和核磁氢谱表征化学结构,通过溶液浇注法制备了相应的薄膜,探索了膜材的性能与温度之间的关系。结果表明:PSF-BDS被成功制备,亲水基团远离PSF主链,利于微相分离结构的形成,使之在高磺化度下的尺寸稳定性好。在25～85℃的温度范围内,该质子交换膜的吸水率(WU)、吸水溶胀性(SW)和质子传导率与温度呈线性关系,PSF-BDS-3(磺酸基团键合量为1.45 mmol/g)膜在室温和85℃的SW仅为25.5%和46.6%,相应甲醇渗透率(DK)仅为10.53×10~(-7) cm~2/s,在相同条件下,性能优于Nafion115(16.8×10~(-7) cm~2/s)和Nafion117(23.8×10~(-7) cm~2/s)。