磺化含側苯基雜萘聯苯聚醚酮酮膜材料的研究.pdf

1、隨著近年來全球能源、資源、環(huán)境間問題日益嚴重，各國紛紛加強了新能源技術產業(yè)的開發(fā)與研究。質子交換膜作為新能源領域的關鍵材料之一，主要用于燃料電池和各類液流電池。前者主要用于電動汽車的動力源，后者主要用于大容量儲能。
　　本課題組研發(fā)的含雜萘聯苯結構的聚醚酮酮(PPEKK)具有溶解性好、易加工成膜、機械強度高、耐熱和耐氧化穩(wěn)定性優(yōu)異等特點，與商業(yè)化的全氟磺酸質子交換膜(Nafion)相比具有較大的成本優(yōu)勢。本論文以磺化聚醚酮酮在質子

2、交換膜燃料電池和全釩液流電池(VRB)中的應用為研究背景，從分子設計角度出發(fā)，合成一系列不同磺化度的磺化側鏈型雜萘聯苯聚醚酮酮，并對其性能進行了深入研究。
　　以4-（3-苯基-4-羥基苯基）-2,3-二氮雜萘-1-酮(DHPZ-oP)、4-（3，5-二苯基-4-羥基苯基）-2,3-二氮雜萘-1-酮（DHPZ-dP）、4-（4-羥基苯基）-2,3-二氮雜萘-1-酮(DHPZ)和1，4-二（4'-氟苯甲?；┍綖樵希浉邷乜s聚反應

3、，分別調節(jié)DHPZ-oP、DHPZ-dP和DHPZ的比例，合成了一系列含側苯基雜萘聯苯聚醚酮酮(PPEKK-Ps)和含二苯基雜萘聯苯聚醚酮酮(PPEKK-dPs)，利用FT-IR和1H-NMR對聚合物結構進行表征。測試了雜萘聯苯聚醚酮酮的特性粘度、溶解性、熱穩(wěn)定性和力學性能，結果表明PPEKK-P和PPEKK-dP的特性粘度都在0.9dL/g以上，5％熱失重溫度分別為506℃和490℃以上，且PPEKK-dP具有較好的力學性能。

4、　　以98％的濃硫酸為磺化劑和溶劑，通過親電取代反應分別制備出一系列磺化含側苯基雜萘聯苯聚醚酮酮(SPPEKK-Ps)和磺化含二苯基雜萘聯苯聚醚酮酮(SPPEKK-dPs)。利用FT-IR和1H-NMR對磺化聚合物的結構進行了表征。利用熱失重分析儀(TGA)測試了磺化聚合物的熱穩(wěn)定性，結果表明其具有較好的耐熱性能。
　　用溶液澆鑄法分別制備了SPPEKK-P和SPPEKK-dP質子交換膜，并研究了磺化聚合物膜的相關性能。結果表明，

5、SPPEKK-Ps和SPPEKK-dPs都溶于NMP、DMSO和DMAc等極性非質子性溶劑，其特性粘度均在5.0dL/g以上?；腔酆衔锬さ奈?、溶脹率、質子傳導率和甲醇滲透率均隨離子交換容量和溫度的增加而增加，且具有較好的機械性能和耐氧化性。SPPEKK-P-100和SPPEKK-dP-80膜的質子傳導率在95℃分別為7.44×10-2S·cm-1和14.41×10-2S·cm-1，且甲醇滲透系數為5.57×10-8cm2·s-1和

6、1.29×10-7cm2·s-1，低于Nafion117，有望用于質子交換膜燃料電池。
　　初步測試了SPPEKK-P膜的阻釩性能、在VO2+中的穩(wěn)定性、面電阻和VRB單電池性能，結果表明，SPPEKK-P膜在VO2+中長時間浸泡后基本保持穩(wěn)定，且阻釩離子性能較好。膜的面電阻在0.66-1.29Ω·cm2之間，滿足釩電池用陽離子交換膜的使用要求。單電池測試中，其電流效率均在98％以上，SPPEKK-P-100膜的能量效率達到87.