碱性阴离子交换膜的碱稳定性

碱性阴离子交换膜(AEMs)是碱性阴离子交换膜燃料电池的核心部件之一,目前已成为制约碱性阴离子交换膜燃料电池发展的关键因素.离子传导基团在碱性条件下,容易受到氢氧根离子的攻击发生降解.本文主要从以下3个方面介绍了近期AEMs在耐碱稳定性方面的研究成果:(1)开发稳定的离子传导基团,并通过提高离子传导基团的电子密度和增大缺电子位置的空间位阻提高离子基团的稳定性;(2)在离子传导基团与聚合物主链之间引入长烷基侧链;(3)合成不含醚氧键的聚合物主链,改善AEMs的耐碱稳定性.     

燃料电池用碱性阴离子交换膜链结构调控研究进展

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)因氧还原动力学快、可使用非Pt催化剂、成本低等优点迅速发展成燃料电池的重点研究领域.作为AAEMFCs的核心组件,碱性阴离子交换膜(AAEMs)的性能直接影响着燃料电池的输出性能和使用寿命.为保证燃料电池高效、稳定、长时间的运行,AAEMs应具备高的离子电导率、尺寸及化学稳定性.但目前开发的膜尚难同时满足这些要求,在实际应用中依然面临阴离子传输效率与尺寸稳定性难以兼顾、碱性稳定性较差等问题.本文将结合近年来国内外及本课题组的研究进展,梳理AAEMs发展中存在的关键问题与解决思路,展望未来的发展方向.     

碱性燃料电池用聚烯烃类阴离子交换膜的研究进展

与质子交换膜燃料电池相比,基于阴离子交换膜的碱性燃料电池具有可使用非贵金属催化剂、电极反应速率高等优点,近年来受到广泛的关注.然而,到目前为止,尚未开发出一种高性能的阴离子交换膜以备碱性燃料电池使用.本文从功能单体共聚和高分子接枝改性两方面概述了聚烯烃类阴离子交换膜的制备方法,探讨了膜的化学结构、微观相分离结构与膜性能之间关系,最后总结目前聚烯烃类阴离子交换膜的氢氧燃料电池性能,并对该领域的发展趋势进行了展望.     

侧链含多季铵基团聚芳醚酮阴离子交换膜的制备与性能

成功合成了一个同时带有季铵基团和烷基溴的小分子(1-溴-6-(三甲基铵)己基溴化物),通过季铵化反应,将其接枝在三乙烯二胺季铵化的聚芳醚酮上,制备了带有柔性侧链且侧链上含有多季铵基团的聚芳醚酮(TQPAEK).利用溶液流延的方法,并经碱化处理制备得到OH~–型阴离子交换膜.通过改变起始聚合物的溴代度,可有效调控阴离子交换膜的离子交换容量,其范围在1.75～2.57meq/g.膜的溶胀度、吸水率与离子传导率均随着离子交换容量的增加而增大.该阴离子交换膜具有良好的热稳定性和机械性能,特别是柔性侧链的引入,显著地提高了聚合物膜的柔韧性,其断裂伸长率最高可达103.2%,拉伸强度仍在28MPa以上.引入多季铵化柔性侧链,有利于高局部离子基团的富集程度,在膜内形成了明显的相分离结构.80℃下最高离子电导率可达74.35mS/cm.这些结果表明多季铵化聚芳醚酮阴离子交换膜有望应用于燃料电池.     

侧链有序交联型咪唑功能化阴离子交换膜

利用甲基氢醌和4,4′-二氟二苯基甲酮的缩聚反应,合成了含苯甲基的聚芳醚酮二元有序结构的聚合物.随后,利用N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)溴代,溴代产物同时接枝1-甲基咪唑和1-乙烯基咪唑制备了一系列侧链有序交联型的阴离子交换膜(Im-PEEK-x).透射电子显微镜图显示Im-PEEK-0.7膜具有较好的微相分离结构.ImPEEK-0.7膜的离子传导率为6.68×10~(-2)S/cm,拉伸强度达到60.03MPa,并且在80℃的吸水率、溶胀率分别为16.56%, 18.2%.在耐碱稳定性测试中, Im-PEEK-0.7膜浸泡在80℃, 1 mol/L NaOH溶液中200 h后,其IEC值仍为泡碱前的81.5%,表现出优异的耐碱稳定性.说明侧链有序具有微相分离结构的交联型阴离子交换膜具有优异的离子传导率和稳定性.     

含双阳离子梳型聚芳醚砜阴离子交换膜的合成与性能

为了提高聚合物阴离子交换膜的电导率、碱稳定性和尺寸稳定性,本研究通过分子结构设计,利用4-氟-2,2,2-三氟苯乙酮、3,5-二甲基苯酚、苯酚为起始原料,经两步有机反应合成了含二甲基苯氧基苯侧基的新型活性双酚单体:1,1-二(4-羟基苯基)-1-(4-(3,5-二甲基苯氧基)苯基)苯基-2,2,2-三氟乙烷(2),并将其与联苯二酚、4,4'-二氟二苯砜经芳香亲核共缩聚、溴代、季铵化反应制备了两类具有梳型结构的聚芳醚砜阴离子交换膜材料(2-PAES-QA-xx和2-PAES-Im-xx).利用核磁共振光谱对制备的活性双酚单体、含甲基结构初始聚芳醚砜、澳化聚芳醚砜及离子化聚合物的结构进行了表征和分析;详细研究了2-PAES-QA-xx和2-PAES-Im-xx膜的吸水率、尺寸稳定性、离子电导率、热稳定性、机械性能、耐碱稳定性等,并进一步比较了不同类型阴离子交换膜(AEM)的结构与性能之间的关系.得到的AEM表现出了较好的综合性能,60℃时膜的OIT电导率分别为35.9～51.6和32.6～44.9 mS/cm.代表性的2-PAES-QA-60和2-PAES-Im-60的OH~-电导率在80℃的4 mol/L NaOH中浸泡336 h后分别保持初始值的79.7%和88.5%.本研究为梳型AEM材料的设计制备提供了新策略.     

基于螺环季铵盐的阴离子交换膜的制备与性能

合成了N,N-二烯丙基吡咯烷溴盐([DAPy][Br]),采用光引发聚合的方式制备了基于[DAPy][Br]的聚合物膜,经过离子交换后得到OH~-型阴离子交换膜.改变原料配比调控膜的离子交换容量,发现膜的溶胀度、吸水率、离子交换容量与电导率都随着[DAPy][Br]含量的增加而增大.该阴离子交换膜具有良好的机械性能和热稳定性,拉伸强度在室温下为10.6～19.8 MPa. 80℃下最高离子电导率可达7.29×10~(-2) S/cm.在成膜过程中[DAPy][Br]发生交联,形成拥有两个五元环的N-螺环结构阳离子,有效提高了膜的耐碱性能,[PSAN]_(70~-)[DAPy][OH]_(30)膜浸泡于80℃下1mol/LKOH溶液中240h,电导率仅下降了11%.上述结果表明,拥有N-螺环季铵盐的脂肪主链的阴离子交换膜有望应用于燃料电池.     

燃料电池阴离子交换聚合物膜的研究与发展

正基于阴离子交换聚合物膜的碱性燃料电池具有可使用非贵金属催化剂、电极反应速率快等优点,受到广泛关注.阴离子交换聚合物膜是碱性电解质膜燃料电池的核心部件,起到传导离子和阻隔燃料的双重作用,其性质直接决定着碱性燃料电池的最终性能、能量效率和使用寿命,因此受到高分子化学、材料与能源器件领域学者的广泛关注.最近十几年,阴离子交换聚合物膜在材料的制备方法、     

无模板法制备的无机有机杂化阴离子交换材料

在不用表面活性剂的条件下, 常温水体系中得到无机有机杂化层状材料(MBH-Mi), 经离子交换反应、元素分析、X射线衍射分析(XRD)、红外光谱分析(IR)研究发现该材料具有阴离子交换功能, 其交换能力(3.9 mmol·g^-1)要优于常见的阴离子交换树脂. 由于骨架的柔性使其可以交换大小不同的阴离子, 并伴随可逆的相转变.     

CO2稳定的双相混合导体透氧膜材料的研究进展

混合导体透氧膜在高温条件下(特别是温度高于700℃)是一种同时具有氧离子和电子混合传导性能的无机致密陶瓷膜.由于此类膜材料在中高温条件下不仅可以清洁、高效、经济地从空气或者其他含氧气氛中高选择性地分离氧气,同时还具有一定的催化活性,所以这类氧离子和电子混合传导膜在纯氧制备、燃料电池、甲烷部分氧化制合成气、富氧燃烧等方面有着巨大的应用潜力,相关研究也成为材料及化工等领域研究学者关注的焦点.为了找到既具有高透氧性能又具有优异稳定性能的透氧膜材料,研究人员做了大量的工作和努力.本文对近年来CO_2稳定的双相混合导体透氧膜材料的研究进展进行系统的综述,简单介绍了双相混合导体透氧膜的透氧机理,分析了双相透氧膜材料的制备方法、几何形状、烧结温度以及组成成分等对透氧性能及稳定性的影响,介绍了双相混合导体透氧膜膜反应器在甲烷部分氧化制备合成气、耦合反应、水分解及富氧燃烧中的应用.最后分析了目前存在的科学问题,并对CO_2稳定的双相混合导体透氧膜材料未来的发展进行了展望.     

离子液体捕集二氧化硫气体的研究进展

近年来,化石燃料燃烧产生的二氧化硫(SO_2)对人类健康和生态环境造成严重威胁,如何有效捕集SO_2引起了国内外学者的广泛关注.离子液体作为一种新型绿色溶剂,具有蒸汽压低、液程宽、稳定性好、结构和性质可调节等特殊的性质,在气体分离领域得到了广泛的应用,被视为有前景的SO_2吸收剂.调节离子液体的结构,进一步改善离子液体的捕集性能,使其快速、高效、低耗、可逆地捕集烟气SO_2是研究的关键.本文综述了近年来离子液体捕集SO_2的研究进展,主要内容包括常规离子液体和功能离子液体,其中功能离子液体主要包括有机酸盐离子液体、含酚基阴离子或唑基阴离子的离子液体、含醚基或氨基的离子液体和多功能离子液体.同时,对目前该领域的发展所面临的主要问题和进一步的研究工作提出了建议.     

季铵化杂萘联苯聚芳醚酮酮离子交换膜制备与性能

离子交换膜是全钒氧化还原液流电池的主要部件之一,其选择性和稳定性在一定程度上决定了电池的寿命,而目前大多数离子交换膜存在选择性或稳定性欠佳的状况.为了制备全钒氧化还原液流电池用高选择性离子交换膜,本文将不同溴甲基含量(0.75～0.99,平均每摩尔重复结构单元含有溴甲基的摩尔数)的含溴甲基杂萘联苯聚醚酮酮(BPPEKK)通过溶液浇铸法制备基膜,之后在三甲胺水溶液中进行胺化得到季铵化杂萘联苯聚醚酮酮阴离子交换膜(QBPPEKK).测试了QBPPEKK的离子交换容量、吸水率、溶胀率、钒渗透系数和面电阻.随着BPPEKK溴甲基含量的增加,所得QBPPEKK膜的离子交换容量和含水率增加,而其面电阻和钒离子质量传递系数降低.将QBPPEKK膜组装于全钒氧化还原液流电池中,电池的电压效率(VE)和能量效率(EE)随着QBPPEKK膜离子交换容量的增加而上升;当BPPEKK的取代度为0.99时,所制得的阴离子交换膜为QBPPEKK90膜,由其组装成电池的EE为87.7%(电流密度为40m A/cm~2),大于同条件下Nafion117的数值(86.0%).在1.5mol/L的VO_2~+溶液中浸泡60d后, QBPPEKK膜的拉伸强度高于36 MPa、膜表面形貌没有明显变化、组装电池性能变化不大,结果表明QBPPEKK膜在VO_2~+溶液中表现出良好的稳定性.     

新能源汽车电池膜材料服役性能与使用寿命研究进展

新能源汽车电池膜材料目前广泛应用于混合动力汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车等新能源汽车,电池膜主要分燃料电池膜(发电装置)和动力蓄电池膜(充放电装置)两类.随着电池膜材料工艺和技术的迅猛发展,迫切需要研究膜材料的服役性能和使用寿命.本文介绍了近年来质子交换膜材料、锂电池隔膜材料和镍氢电池隔膜材料的研究进展,结合本实验室的研究工作,着重介绍了汽车电池膜材料的服役性能和使用寿命的影响因素及控制策略,讨论了新能源汽车电池膜材料的未来发展方向.     

细菌视紫红质LB膜光电器件三态光电响应特性的表征与应用

存在于嗜盐菌紫膜中的唯一蛋白质——细菌视紫红质(bacteriorhodopsin,bR)具有奇特的功能:受可见光照射时,能发生光致变色并具有质子泵功能.在生物体外,bR的稳定性极好.可以利用Langmuir-Blodgett制膜技术或其它方法,在透光的载体(如导电玻璃)上形成单层和多层的bR-LB膜或化学增强膜.这种薄膜具有独特的双稳态光色互变特性、非线性光学特性和微分光电响应特性,已被用来研究构造生物分子型的光-光和光-电器件.近年来的研究结果表明,基于bR-LB膜制作的光电器件在信息传感领域有着潜在的应用前景.这方面的研究工作已经引起人们的极大关注.     

聚电解质燃料电池中的质子交换膜研究进展

聚电解质燃料电池(polyelectrolyte fuel cells, PEFCs)是汽车、固定式和便携式应用中极具前途的可清洁发电设备.质子交换膜是PEFCs中的重要组成部分之一.它在电池中起着阻隔燃料、传递质子的作用,其性能的优劣会直接影响PEFCs高效、稳定的运行.本综述主要总结了近20年质子交换膜的发展历程,从PEFCs的工作原理出发,首先引出质子交换膜在PEFCs中的重要作用,然后考察了质子交换膜的结构特点及其应用于PEFCs的传质特性.重点强调了质子交换膜结构对低温PEFCs性能的影响,主要包括全氟质子交换膜、含氟质子交换膜和非氟质子交换膜,以及近期开发的新一代质子交换膜.在低温质子交换膜的基础之上,还针对高温PEFCs介绍了高温质子交换膜的发展和面临的挑战.最后,展望并预测了未来质子交换膜的发展方向.     

一种PVC膜硫酸根电极的研制

硫酸根离子敏感性电极的研制至今仍然是离子电极领域中的一个难点。由于固膜型硫酸根电极存在重现性差以及受到磷酸根离子严重干扰等缺陷,这方面的研究重点随之转移至液膜型硫酸根电极的研制。曾有人报道了基于季铵阳离子作为电活性物质的液膜硫酸根电极。但是这类电极存在稳定性、选择性差以及线性响应范围窄等缺陷。采用新的活性物质是制备性能良好的电极的重要途径。本文首次合成一种新的有机化合物:N-烷基取代苯并三氮唑衍生物,并以之为载体,研制出一种具有良好的稳定性和电位响应性能的PVC膜硫酸根离子敏感性电极。     

反相离子对色谱法分离无机阴离子的研究

反相离子对色谱法是以C_8或C_(13)键合担体为固定相、甲醇/水或乙腈/水中加入含有烷基和离子基团的离子对试剂作为流动相的色谱系统中实现的。反相离子对色谱不仅保持了反相色谱法操作简便,分离效率高等所固有的优点,而且能同时分离离子和中性分子的混合物。最近有人用反相离子对色谱法间接紫外检测分离无机阴离子。本文采用反相离子对色谱法     

杂多阴离子插层化合物的合成、表征及氧化活性

过渡元素三取代型与镧系双(1:11)系列Keggin结构杂多阴离子是性能优秀的氧化型催化剂.但在均相氧化反应体系中存在着稳定性差和难以回收并反复使用等缺点.具有化学组成通式为[M_(1-x)~(2 )M_x~(3 )(OH)_2]·A_(x/n)~(n-)·yH_2O的类水滑石层间的阴离子(A~(n-),通常为体积较小的简单无机离子,这些离子具有可交换性.Pinnavaia等人首先将V_(10)O_(28)~(6-)通过离子交换方法嵌入Zn_2Al双氢氧化物层间,得到通道高度约为0.72nm的新型层柱化合物Zn_2Al-V_(10)O_(28).并发现它在均相体系中,对异丙醇光氧化成两酮的反应,比均相中的V_(10)O_(28)~(6-)具有更优秀的催化活性与选择性.最近,我们将XW_(11)O_(39)Z(H_2O)~(n-)型杂多阴离子嵌入Zn_2Al型类水     

用于二氧化碳捕集的阴离子柱杂化金属有机框架材料

二氧化碳(CO₂)等温室气体浓度提高引起的全球变暖危机已成为全球关切的焦点.为应对这一难题,当前已开发出多种碳捕集技术来减少CO₂的排放.近年来,基于多孔吸附材料的碳捕集技术因具有自身独特优势引起了全球研发人员的广泛兴趣.金属有机骨架(MOFs)材料因其高度有序的孔结构和极为丰富的结构可修饰性,被认为是本领域中极具应用前景的新型多孔材料之一.然而大多数常规MOFs材料通常存在吸附容量与选择性之间的取舍问题,近年来发展的阴离子柱杂化MOFs(APMOFs)材料由于结构中存在有丰富氢键受体的阴离子柱配体,可通过孔道尺寸、形状和化学性质之间的协同效应,同时满足对于高吸附容量和高选择性性能的要求,因而受到了本领域研究者的广泛关注.本文依据材料的吸附性能和稳定性特点,将APMOFs划分为四代发展,综述了该材料近10年来在二氧化碳捕集的研究进展,并指出在未来走向商业应用中面临的机遇和挑战.     

离子液体的环境行为和安全性探讨

由于具有不挥发、不易燃、结构可设计、稳定性高等优势,离子液体被广泛应用于催化、能源、材料制备、生物化工和医药等领域.随着离子液体的大量生产和广泛应用,其对环境的健康风险也日益引起关注.本文对目前离子液体结构进行总结,并分析了其结构对生物安全性的影响规律;探讨了离子液体在不同环境介质中的迁移、转化行为以及可能影响因素;归纳总结了离子液体对陆生生物、微生物、水生生物的影响.对当前离子液体的生物和化学的降解方法进行了综述,研究认为对侧链较短的离子液体,尽量选择化学降解,而对于烷基侧链较长的离子液体,优先选择生物降解.文章进一步阐明对离子液体的环境行为和安全效应以及降解方法进行深入研究具有重要的科学价值,对于客观评价离子液体规模化应用潜力具有十分重要的意义.