燃料电池用半互穿网络阴离子交换膜的制备及表征

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.06.007

摘要/Abstract

摘要：

通过构建基于咪唑官能化溴代聚苯醚（ImF?BPPO）与季铵化聚乙烯醇（QPVA）的半互穿聚合物网络（sIPN）化合物，制备了一系列新型阴离子交换膜（AEMs）；系统地研究了QPVA质量分数对复合膜综合性能的影响；利用¹H?NMR、FT?IR和SEM对膜结构和复合膜形貌进行了分析，并测试了复合膜的离子交换量、含水率、电导率等性能指标。结果表明，所制备的系列复合膜相容性较好，无明显相分离现象产生；当QPVA质量分数为40%时，复合膜的含水率和溶胀率分别为58.2%和24.6%，80 ℃时的电导率为67.24 mS/cm，用浓度为6 mol/L的KOH溶液浸泡168 h后，仍能保留初始电导率的90%左右，表明该膜具有良好的电导率和耐碱稳定性。

关键词: 半互穿聚合物网络, 聚乙烯醇, 季铵化, 阴离子交换膜, 燃料电池

Abstract:

A series of novel anion exchange membranes (AEMs) were prepared by constructing semi?interpenetrating polymer networks (sIPN) based on imidazole functional brominated polyphenyl ether (ImF?BPPO) and quaternary ammonium polyvinyl alcohol (QPVA). The effects of different contents of QPVA on the comprehensive properties of the composite membranes were systematically studied, the structure of the series composite membranes was analyzed by ¹H?NMR and FT?IR, and the morphology of composite membrane was investigated by SEM, and the ion exchange capacity, water uptake and conductivity and other properties of the composite membranes were tested. The results show that the prepared series of composite membranes have good compatibility and no obvious phase separation phenomenon. When the mass fraction of QPVA was 40%, the water uptake and swelling rate of the composite membrane were 58.2% and 24.6%, respectively. At 80 ℃, the conductivity of the composite membrane reached 67.24 mS/cm. After soaking in 6 mol/L KOH alkaline solution for 168 h, about 90% of the initial conductivity was still retained, indicating that the membrane had good conductivity and alkali resistance stability.

Key words: Semi?interpenetrating polymer network, Polyvinyl alcohol, Quaternization, Anion exchange membrane, Fuel cell

中图分类号:

TQ425.236

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图/表 15

图1 BPPO的制备路线

Fig.1 Preparation route of BPPO

图2 QPVA的制备路线

Fig.2 Preparation route of QPVA

图3 交联剂Bis?2?MIm的制备路线

Fig.3 Preparation route of Bis?2?MIm

图4 交联型ImF?BPPO的制备路线

Fig.4 Preparation route of crosslinked ImF?BPPO

图5 Bis?2?MIm的1H?NMR谱图

Fig.5 1H?NMR spectra of Bis?2?MIm

图6 Bis?2?MIm、QPVA、sIPN?0、sIPN?28和sIPN?46的红外谱图

Fig.6 Infrared spectra of Bis?2?MIm, QPVA, sIPN?0, sIPN?28 and sIPN?46

图7 sIPN?x膜的制备流程示意图

Fig.7 Schematic diagram of the preparation process of sIPN?x membrane

图8 sIPN?46膜的SEM图像

Fig.8 SEM image of sIPN?46 membrane

图9 sIPN?46膜的EDX能谱图

Fig.9 EDX spectrum of sIPN?46 membrane

图10 QPVA、sIPN?0和sIPN?46膜的热重曲线

Fig.10 Thermogravimetric curves of QPVA, sIPN?0 and sIPN?46 membranes

表1 30 ℃时sIPN?x膜的离子交换量、含水率和溶胀度

Table 1 Ion exchange capacity, moisture content and water uptake of sIPN?x membranes at 30 ℃

膜名称	离子交换量/（mmol·g^-1）	含水率/%	溶胀度/%
sIPN⁃0	0.65±0.06	16.3±0.7	7.4±0.3
sIPN⁃19	0.73±0.08	20.1±0.6	9.1±0.5
sIPN⁃28	0.85±0.09	26.5±1.0	12.7±0.7
sIPN⁃37	1.02±0.14	38.6±0.9	18.6±0.6
sIPN⁃46	1.21±0.12	58.2±1.2	24.6±0.8

图11 sIPN?x膜的拉伸强度和断裂伸长率

Fig.11 Tensile strength and elongation at break of sIPN?x membranes

图12 sIPN?x膜在不同温度下的电导率变化曲线

Fig.12 Conductivity curves of sIPN?x membranes at different temperatures

图13 sIPN?x膜的阿伦尼乌斯曲线

Fig.13 Arrhenius curve of sIPN?x membranes

图14 sIPN?x膜耐碱稳定性测试结果

Fig.14 Alkaline stability test results of sIPN?x membranes

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