《梯度化有機-無機納米強迫相容性互穿網路質子交換膜》是依託大連理工大學,由吳雪梅擔任醒目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：梯度化有機-無機納米強迫相容性互穿網路質子交換膜
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：吳雪梅
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
燃料電池工作時沿質子交換膜厚度方向的水、質子傳遞阻力分布不均，採用組成梯度化質子交換膜進行調節的設計理念國內外鮮見報導。本項目提出無機保水組分與有機質子傳導組分通過互穿網路強迫相容與梯度界面漸變的共同作用，解決複合膜多功能化中不同膜層間以及有機、無機組分間存在巨觀相界面突變的關鍵問題。研究梯度化互穿網路的生長動力學，建立複合膜中有機、無機組分間獨特的相容性機理及動力學判據。研究複合膜中保水、質子傳導基團的梯度分布，揭示不同離子簇模型的水、質子傳遞機理。研究互穿網路應力分散、梯度化應力漸變雙重作用，探索複合膜在熱或水溶脹時的多尺度應力緩解機制。最佳化複合膜的組成梯度，調節質子交換膜厚度方向的水分布，降低質子傳遞阻力，研究成果可直接用於微型燃料電池領域。質子交換膜的梯度化設計理念、強迫相容與梯度漸變共同作用的製備方法以及複合膜中獨特的相容性理論、水及質子傳遞機理、應力緩解機制構成本項目的創新性。
結題摘要
開發新能源是國家重大需求，亟需解決新能源燃料電池發電問題。質子/氫氧離子交換膜本身帶有正或負電荷，可以選擇性地透過異性電荷離子，是決定燃料電池性能和壽命的核心部件。非氟膜可提高電池使用溫度(非氟膜玻璃化溫度150-300℃)，但存在電導率遠低於全氟Nafion膜以及不耐水溶脹的難點問題。 本項目採用互穿網路法、梯度法和有機-無機複合法製備新型質子交換膜，研究互穿網路和有機-無機相容性機理，以及離子簇結構和質子傳導機理，製備的非氟膜在低濕度下具有較好的電性能和抗水溶脹性能。研究非氟聚醚醚酮(SPEEK)膜的水溶脹動力學，建立雙層水核結構模型；研究不同膜中質子傳導滲透閾值與電導率的關係，建立電導率與膜中親水基團體積分率間的數學關聯，揭示非氟膜中離子簇的不同形態是導致SPEEK膜低濕度下電性能差的重要原因。進而採用互穿網路法製備SPEEK/PSSA(聚苯乙烯磺酸)互穿網路質子交換膜。研究互穿網路生長動力學和相容性機理，建立互穿網路膜的伸長取向離子簇結構模型。互穿網路膜在25%低濕度下的電導率達到10-3 S/cm，與Nafion膜相當，比SPEEK原膜高2個數量級；在100%高濕度下的電導率約為0.11S/cm，溶脹率約為18%，達到了本項目預定目標。採用互穿網路、梯度化、摻雜等方法添加磺酸基團改性的無機納米顆粒，如磺化SiO2(SSA)、磺化蒙脫土等，研究有機、無機複合體系的相容性，提高質子交換膜的保水性和電導率。如40%相對濕度時，SPEEK/SSA有機-無機複合膜的尺寸穩定性與SPEEK膜相近，而水含量提高約40%，80℃的電導率提高約18.6%，比Nafion膜提高8.6%。項目組首次製備了季銨化聚醚醚酮氫氧離子交換膜，提出濃硫酸既做溶劑，又做氯甲基化催化劑的新方法，解決了聚醚醚酮不溶於常規溶劑因而不易氯甲基化的問題。進而採用較穩定的咪唑為季銨化試劑，製備季銨化聚碸氫氧離子交換膜，耐熱性高達250℃，電導率達到53mS/cm，為文獻報導的最高值系列。項目組還選用聚醚醯亞胺、聚醚碸為聚合物基質，實現了對氯甲基化、季銨化程度的有效控制。本項目發表學術論文9篇，其中SCI收錄5篇、EI收錄5篇，進行國際交流8人次，發表會議論文3篇。本項目的研究豐富了非氟膜的質子傳導機理，為提高非氟膜的電導率提供了有效製備方法，可以促進新能源燃料電池性能提高。
