《鹼性陰離子交換膜的電漿合成機理研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由孟月東擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鹼性陰離子交換膜的電漿合成機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：孟月東
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
研製和開發高性能鹼性陰離子交換膜對燃料電池技術的發展具有重要的意義。本申請項目將後輝光電漿技術套用到鹼性陰離子交換膜的合成中，發展一種新的鹼性陰離子交換膜合成方法。利用原子發射光譜、朗繆爾雙探針、原位質譜對後輝光電容耦合電漿特性進行診斷及分析，研究放電功率、氣體壓強、單體流量等對聚合膜沉積速率和微觀結構的影響，利用電漿聚合動力學模型推導聚合膜的沉積機理，結合電漿特性，研究電漿聚合過程中活性粒子的化學行為，揭示粒子與單體、聚合膜、聚合過程中間物相互作用的物理化學過程，闡明電漿聚合反應中聚合、蝕刻兩種作用的競爭機制，明晰鹼性陰離子交換膜的電漿合成機理，併合成出電漿聚合鹼性陰離子交換膜材料。該研究結果不僅為鹼性陰離子交換膜的合成提供了一條新的技術途徑，也對電漿基本過程的認識有著重要的科研價值。
結題摘要
本項目發展了一種鹼性陰離子交換膜合成的新方法，後輝光電漿聚合法合成鹼性陰離子交換膜，既有可能解決膜與電極之間接觸電阻大、催化劑利用率較低等問題，還能提高電漿聚合鹼性陰離子交換膜中功能基團含量。通過電漿中活性粒子能量及密度等關鍵參量的控制，揭示電漿特性與聚合膜的化學結構之間的內在聯繫，闡明聚合過程中聚合、蝕刻兩者之間的競爭機制，明晰鹼性陰離子交換膜的電漿合成機理。主要成果如下： ⑴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）。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，對XPS結果進行定量分析發現電漿聚合鹼性陰離子交換膜中離子交換功能基團含量較高，季銨根中N+的原子百分數達1.85 at%，高於Nafion 117膜中磺酸根中S的含量；SEM結果表明電漿聚合鹼性陰離子交換膜均勻、緻密、沒有針孔，電漿聚合法能很好的實現膜與基底的緊密結合，將聚合膜直接沉積在電極催化劑層上，有望提高催化劑的利用率，減少膜與電極之間的接觸電阻；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。 ⑵ 通過對光譜數據進行擬合、分析發現隨著放電功率的增大，電容耦合電漿氣體溫度、電子溫度、電子密度及自由基濃度均增大，且變化明顯，所以電漿聚合反應過程中放電條件的控制尤為重要。 ⑶闡明電漿聚合反應過程中的聚合、蝕刻作用機制，結合不同放電功率下電漿特性的變化不難發現，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。 ⑷為了實現膜內微相結構的分離，促進離子團簇和離子通道的形成並解決三甲胺溶液對電極催化劑造成毒化這一問題，探索出電漿共聚合這一全新的技術並成功製備出了鹼性陰離子交換膜（PCPNOH）。
