鹼性陰離子交換膜合成過程中電漿化學行為研究

《鹼性陰離子交換膜合成過程中電漿化學行為研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由胡覺擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鹼性陰離子交換膜合成過程中電漿化學行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡覺
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

電漿聚合是電漿化學的重要研究領域之一，電漿聚合反應中活性粒子化學行為研究對聚合反應機理的認識具有重要意義。本申請項目擬研究鹼性陰離子交換膜的電漿合成過程，以乙烯基苄基氯為聚合反應單體，採用後輝光電漿聚合、季銨化、鹼化這一全新的技術路線合成鹼性陰離子交換膜。對鹼性陰離子交換膜的微觀結構（化學結構、交聯密度、形貌）進行表征，利用光譜、探針、質譜相結合的原位診斷技術對電漿中活性粒子進行探測和分析，通過電漿中活性粒子能量及密度等關鍵參量的控制，研究活性粒子對膜微觀結構的影響，結合電漿特性參數分析電漿中活性粒子與單體、聚合物的相互作用過程，從分子水平上探討電漿中活性粒子對膜微觀結構的影響機制，揭示電漿中活性粒子的化學行為。本項目的研究結果不僅為電漿聚合反應機理的認識提供實驗和理論依據，也將為鹼性陰離子交換膜的合成提供一種新思路。

結題摘要

鹼性直接醇類燃料電池（ADAFC）由於綜合了質子交換膜燃料電池（結構簡單）、鹼性燃料電池（氧化速度快、無需貴金屬作為催化劑）和直接醇類燃料電池（能量密度高）的優點，同時又避免了三種電池的缺點（氫源問題、碳酸鹽問題、催化劑中毒和醇類透過嚴重等），具有良好的套用前景。鹼性直接醇類燃料電池的核心是鹼性陰離子交換膜（AAEM），它起到了傳導OH–、隔絕電子、阻止醇類燃料和氧化劑透過三重作用。然而，AAEM的OH–傳導能力差、電導率低、穩定性差等問題嚴重影響了燃料電池的性能。合成出具有超薄膜結構、高電導、高穩定性且能與電極催化劑層緊密結合的鹼性陰離子交換膜材料是解決上述問題的關鍵。利用後輝光電漿高活性、低蝕刻的特點，以4-乙烯基苄基氯為單體通過後輝光電漿聚合、季銨化、鹼化這一全新的技術路線合成了季銨型鹼性陰離子交換膜（QPVBC）。電漿聚合鹼性陰離子交換膜具有較高的離子交換容量（1.29 mmol g–1）、含水率（66.67 wt%），高的OH–離子電導率（20℃時的OH–離子電導率為0.0331 S cm–1），較低的乙醇透過率（20℃時為2.939×10–11 m2 s–1）和較好的穩定性，在燃料電池套用中體現出巨大的優勢。電漿聚合反應過程中，單體及聚合膜的分解與膜的生成同時發生，對聚合、蝕刻兩種作用關係的研究結果表明電漿聚合反應過程中的聚合、蝕刻兩種作用的競爭實質上是電漿中具有不同作用的活性粒子之間的反應平衡。電漿聚合反應過程中，對單體、聚合物的蝕刻作用主要來自電漿中的帶電粒子。發展了鹼性陰離子交換膜製備的新方法，採用電漿接枝、季銨化、鹼化成功製備出了鹼性陰離子交換膜（P1NOH）。ATR-FTIR和XPS結果表明季銨根基團已經成功引入聚合膜的主鏈結構中，TGA的結果表明VBC單體的接枝率為32.37 wt%；H2O2氧化數據表明電漿接枝法並未對聚合物基材造成損傷，電漿接枝鹼性陰離子交換膜具有較好的化學穩定性；電漿接枝鹼性陰離子交換膜具有較高的離子交換容量（1.01 mmol g–1）、含水率（65.63 wt%），較高的OH–離子電導率（0.0145 S cm–1），較低的乙醇透過率（9.59×10–12 m2 s–1）和較好的熱穩定性，在燃料電池套用中體現出巨大的套用前景。