多級孔結構纖維複合膜微結構調控與質子傳遞過程強化

《多級孔結構纖維複合膜微結構調控與質子傳遞過程強化》是依託鄭州大學，由王景濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多級孔結構纖維複合膜微結構調控與質子傳遞過程強化
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王景濤
• 依託單位：鄭州大學

項目摘要

開發高傳導膜與膜材料是燃料電池技術的迫切需求。為獲得新結構、高傳導質子交換膜（PEM）並深化質子傳遞機理研究，提出“製備多級孔結構纖維複合膜，通過對膜微結構最佳化來強化多尺度協同作用，實現質子傳遞過程強化”的思路。項目以多級孔結構纖維複合膜為平台，著重考察：（1）多級孔結構纖維複合膜的製備和調控機制，探索膜材料與製備條件對膜物理結構的影響規律，揭示膜微/納孔形成機制，創製新結構膜材料；（2）分析纖維與填充材料間作用力對界面處化學環境的影響規律，闡明酸—鹼對形成過程及界面相互作用對基團排布的誘導機制；（3）測試膜質子傳遞性能，揭示質子傳遞機理及傳遞過程中多尺度協同作用機制，建立膜微結構與質子傳導間的構效關係，豐富傳遞過程強化的一般性方法與理論，得到高性能PEM，促進氫燃料電池技術發展。項目開發的多孔材料還可套用於催化、吸附以及其它膜分離過程。項目將有助於質子導體及多孔材料的理性構建與可控制備。

結題摘要

質子交換膜作為質子交換膜燃料電池的核心組件，其性能直接決定電池的性能，因此開發高傳導膜與膜材料是燃料電池技術發展的迫切需求。本項目結合軟模板法和靜電紡絲技術製備多級孔結構納米纖維（HPNF），後填充高分子基質製備多級孔結構納米纖維複合膜（HPFCM），通過最佳化膜微結構強化多尺度協同效應，構建三維質子傳遞網路，實現質子傳遞過程高效強化和燃料電池性能提升。具體如下：（1）選用疏水型離子液體[Cnmim][Tf2N]作模板，製備平均孔徑為4-5 nm的磺化聚醚醚酮（SPEEK）HPNFs，後澆鑄殼聚糖（CS）基質製備HPFCM。結果表明：CS上鹼性基團誘導SPEEK上磺酸基團在界面處富集行成酸鹼對傳遞通道，複合膜質子傳導率顯著提升；強烈的酸鹼相互作用同時有效提高了膜的熱穩定性、抗溶脹性等物化性能。（2）為驗證方法通用性，採用離子液體[Cnmim][Tf2N]和Nafion製備HPNF，後填充CS基質製備HPFCM，並系統研究膜的傳遞各項異性特性。結果表明：在90 oC和100% RH下，HPFCM的垂直向傳導率較NFCM提高了3.2倍，傳遞各向異性顯著降低；同時，HPFCM表現出良好的物化性能。（3）利用[Cnmim][Tf2N]（n＜9）在水溶液中自組裝形成的20-60 nm膠束，並以此為模板，以水溶性聚乙烯醇和聚乙烯亞胺為前驅體，製備具有大孔徑（17-45 nm）和貫穿孔結構的HPNF，後填充SPEEK基質製備HPFCM。結果表明：大的孔徑有利於基質均勻充分進入纖維納米孔，貫穿的孔結構使得膜內行成了更加長程連續的垂直向質子傳遞通道；在80 oC和100％ RH下HPFCM的垂直向傳導率達到561 mS cm-1，遠高於傳統的納米纖維複合膜，同時，傳遞各項異性係數降低到1.08。此外還深入研究了界面相互作用對基團的誘導富集作用及質子在界面處的傳導機制。項目的研究成果還有望直接套用於諸如吸附、催化和能量儲存等領域相關產品的開發與製備。