齊威,王吉林?
科學(xué)研究
燃料電池用交聯(lián)型堿性膜的制備及表征
齊威,王吉林*?
(遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部,遼寧 撫順 113001)
通過同時(shí)引入疏水性長(zhǎng)脂肪鏈和親水性溴乙醇(BE)以便在側(cè)鏈中對(duì)聚4-乙烯基吡啶(P4VP)進(jìn)行季銨化和交聯(lián)反應(yīng),成功制備了一系列梳形陰離子交換膜,并且研究了當(dāng)溴代十二烷(BA)含量變化時(shí),膜的吸水率、離子交換容量、堿穩(wěn)定性、力學(xué)性能和電導(dǎo)率等的變化。結(jié)果表明,當(dāng)BA含量增加時(shí),吸水率、溶脹度有所降低,電導(dǎo)率增加,而離子交換容量基本不變。其中,BE25.0%-BA75.0%/P4VP膜的吸水率為11.8%,室溫下電導(dǎo)率為34 mS·cm-1。這些膜的熱穩(wěn)定性良好,主要表現(xiàn)在它們的熱分解溫度高于200 ℃;BE25.0%-BA75.0%/P4VP膜的拉伸強(qiáng)度最大(15.9 MPa),斷裂伸長(zhǎng)率最?。?.9%),表明其具有良好的機(jī)械性能。
燃料電池;陰離子交換膜;聚4-乙烯基吡啶;電導(dǎo)率;穩(wěn)定性
作為堿性膜燃料電池的核心部件,陰離子交換膜最引人關(guān)注的性能之一就是電導(dǎo)率。與質(zhì)子交換膜相比,陰離子交換膜在電導(dǎo)率方面存在先天劣勢(shì)[1]。為了賦予膜電解質(zhì)一定的OH-電導(dǎo)率,國(guó)內(nèi)外研究者在此方面做出了大量的工作。例如,利用氯甲基化—季膦化的手段制備堿性強(qiáng)于季銨類物質(zhì)的季膦鹽,但并沒有直接將其作為燃料電池用膜使用,而是將其安置在催化劑層,用以提高電池效率[2]。利用殼聚糖為聚合物基質(zhì),縮水甘油基三甲基氯化銨為季銨化試劑,采用將季銨基團(tuán)接枝在聚合物骨架上的方法制得陰離子交換膜[3]。將聚砜經(jīng)氯甲基化—季銨化—堿化的方法制備陰離子交換膜[4]。盡管上述方法都提高了膜的電導(dǎo)率,但是季銨基的引入往往需要復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),特別是氯化甲基化需要使用易致癌的物質(zhì),同時(shí)復(fù)雜的反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致季銨基團(tuán)的取代度不易控制等問題[5]。
4-乙烯吡啶(4VP)是一種重要的功能性單體,其密度為0.98 g·mL-1,沸點(diǎn)為121 ℃,常溫下為紅棕色液體,具有刺激性氣味??扇苡诖蠖鄶?shù)有機(jī)溶劑,一般加入一定量的阻聚劑進(jìn)行儲(chǔ)存。該單體可應(yīng)用于高分子材料的很多領(lǐng)域。例如,利用4-乙烯吡啶單體可以與線性聚合物接枝共聚從而得到一種陽(yáng)離子表面活性劑,可用來作防殺菌劑、防靜電劑、染色助劑等;該單體還可用于生產(chǎn)弱堿性離子交換樹脂和離子交換膜,用來分離重金屬離子[6]。聚4-乙烯吡啶是一種多功能聚合物,不溶于水,但是可溶于酸和大多數(shù)有機(jī)溶劑中,一般在乙醇中發(fā)生聚合。其中的吡啶環(huán)具有吡啶的典型反應(yīng)特征,能與鹵代烷烴反應(yīng)生成季銨鹽;聚4-乙烯吡啶及其衍生物具有抗菌、殺菌、吸附、氣體選擇滲透以及好的蒸汽滲透分離能力[7]。
本研究通過自由基聚合反應(yīng)制備聚4-乙烯吡啶,然后引入溴乙醇和溴代十二烷對(duì)制得的P4VP進(jìn)行季銨化,合成一系列不同季銨化取代度的季銨化聚4-乙烯吡啶(QPVPE),以實(shí)現(xiàn)對(duì)其導(dǎo)電性能的改性,最后引入戊二醛(GA)對(duì)QPVPE進(jìn)行交聯(lián),制得適合燃料電池使用的交聯(lián)型聚4-乙烯基吡啶堿性膜,并對(duì)膜的電導(dǎo)率、離子交換容量、含水率、溶脹度、堿穩(wěn)定性、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性進(jìn)行表征。
4-乙烯吡啶,羥乙基纖維素(HEC),過氧化苯甲酰(BPO)、2-溴乙醇、溴代十二烷,阿拉丁試劑有限公司;二甲基亞砜、氫氧化鉀、氫氧化鈉、戊二醛、酚酞、酚酞、無水乙醇,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn);所有試劑均為分析純,所有用水均為去離子水。Spectrum One傅里葉變換紅外光譜儀,美國(guó)Perkin Elmer公司;拉力試驗(yàn)機(jī)(PN-TT300),杭州品享科技有限公司。
①高分子量聚(4-乙烯吡啶)的合成。水、4VP、HEC的原始投料比為50∶10∶0.06,加入順序依次為HEC、水、4VP。首先加入HEC與水,攪拌均勻后,將溫度升高至45 ℃,然后通入高純N2以除去體系中的氧氣等雜質(zhì)氣體。
②加入4VP之后,溶液變?yōu)榘咨?,再加?%的BPO,攪拌均勻,升溫至65 ℃,保持?jǐn)嚢杷俣仍?50~300 r/min之間。
③隨著反應(yīng)的進(jìn)行,溶液出現(xiàn)分層,下層為顆粒狀固體。
④反應(yīng)1 h后,倒出上層液體,將下層固體用水反復(fù)清洗,過濾,然后在通風(fēng)櫥中風(fēng)干產(chǎn)物,并在真空烘箱中烘干水分直至恒重,最后放入干燥器中待用。
①將2.1 g P4VP和10 g DMSO分別溶解在6個(gè)圓底燒瓶中,然后將不同質(zhì)量的BE(2.50 g,1.67 g,1.25 g,0.83 g,0.63 g,0 g)分別加入到燒瓶1-6中。
②通入高純N215 min,以確保除去系統(tǒng)中的其他氣體,然后密封燒瓶,攪拌,并在65 ℃下反應(yīng)72 h。
③反應(yīng)完成后,將不同質(zhì)量的BA(0 g,1.66 g,2.49 g,3.32 g,3.74 g,4.98 g)分別加入到燒瓶1-6中,并將溫度升高至90 ℃進(jìn)行反應(yīng),也在N2封閉的燒瓶中反應(yīng)72 h。
①緩慢滴加2.5 g GA(wt%=2%)進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng),30 min后,將膜澆鑄在水平玻璃板上。
②在25 ℃下干燥后,得到膜樣品。將膜樣品浸入0.1mol·L-1KOH水溶液中24 h進(jìn)行離子交換,然后用去離子水徹底洗滌膜至中性。
③將該膜在50 ℃的烘箱中干燥至恒重,得到一系列不同比例的BEX%-BA1-X%/P4VP膜,其為BE100%-BA0%/P4VP,BE66.7%-BA33.3%/P4VP,BE50.0%-BA50.0%/P4VP,BE33.3%-BA66.7%/P4VP,BE25.0%-BA75.0%/P4VP,BE0%-BA100%/P4VP。(膜BE0%-BA100%/P4VP幾乎不含水,韌性非常差,許多性能無法測(cè)量,因此在接下來的幾個(gè)表征中不再討論。)
1.5.1 紅外光譜測(cè)定
采用美國(guó)Perkin-Elmer公司的Spectrum One(B)傅里葉變換紅外光譜儀記錄膜的紅外光譜。樣品采用KBr壓片法,掃描范圍為4 000~0 cm-1,分辨率為4 cm-1,以空氣作為參考背景。
1.5.2 熱穩(wěn)定性測(cè)定
采用熱重分析(TGA) 法,將制備好的陰離子交換膜預(yù)先在真空干燥箱中60 ℃干燥至恒量,然后采用LCT-2型微機(jī)差熱天平在氮?dú)夥諊?,升溫速?0 ℃·min-1條件下對(duì)膜樣品進(jìn)行熱重分析測(cè)試。
1.5.3 含水率和面積溶脹度的測(cè)定
將膜放入60 ℃烘箱中干燥至恒重,稱其干膜質(zhì)量和面積,記為dry。將膜樣品在室溫條件下,浸泡在去離子水中24 h,然后將膜取出,用濾紙將表面吸附的水擦干,迅速稱重,測(cè)量面積,記為wet。含水率、溶脹度的計(jì)算公式如下:
式中:wet—濕膜的面積或體積;
dry—干膜的面積或體積。
1.5.4 離子交換量(IEC)的測(cè)定
使用標(biāo)準(zhǔn)的NaOH 溶液,利用返滴定法測(cè)定膜樣品的離子交換量(IEC)[7]。
1.5.5 機(jī)械性能的測(cè)定
本實(shí)驗(yàn)采用四電極法測(cè)定膜的電導(dǎo)率[8],分別測(cè)定裝置中有膜和無膜時(shí)電解質(zhì)溶液的電阻值,得到的電阻差值就是待測(cè)膜的電阻值(M),整個(gè)測(cè)定過程在烘箱中完成,實(shí)驗(yàn)過程中使用的電解質(zhì)為 0.1 mol·L-1的KOH標(biāo)準(zhǔn)溶液。電導(dǎo)率計(jì)算公式如下。
式中:—膜的電導(dǎo)率,S·cm-1;
—濕膜的厚度,cm;
M—膜的電阻,?;
—用于導(dǎo)電的部分膜面積,cm2。
圖1顯示了BEX%-BA1-X%/P4VP梳形聚合物膜的FT-IR光譜。υC-N是1 600 cm-1;υC=C是1 410 cm-1;υC-H是1 070 cm-1(面內(nèi))。與季銨化之前相比,吡啶環(huán)的共軛結(jié)構(gòu)由于吡啶環(huán)上的N原子帶有正電荷而受到破壞。因此,季銨化后膜樣品的紅外吸收峰的位置和強(qiáng)度發(fā)生變化,出現(xiàn)了新的紅外吸收峰(例如1 640 cm-1)。其中,υC-N的特征峰從1 600 cm-1移動(dòng)到1 640 cm-1,這表明吡啶已經(jīng)完全季銨化。在BEX%-BA1-X%/P4VP梳形聚合物薄膜的紅外光譜中,隨著BA含量的增加,1 600 cm-1處υC-N吸收峰的強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)BA含量為75%時(shí),峰幾乎消失不見。同時(shí),1 640 cm-1處峰的吸收強(qiáng)度顯著增加,表明P4VP分子鏈上的大部分吡啶環(huán)被季銨化。隨著長(zhǎng)鏈烷基的引入,-CH不對(duì)稱和對(duì)稱拉伸的強(qiáng)度 在2 926 cm-1和2 856 cm-1處的振動(dòng)帶顯著增強(qiáng),-CH2彎曲振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)光譜在1 463 cm-1和720 cm-1處得到表征。帶的出現(xiàn)證明了-C12H25基團(tuán)的成功接枝。從圖1可以看出,隨著烷基連接度的增加,-CH2在1 463 cm-1和720 cm-1處的強(qiáng)度增加,這表明烷基連接分支的增加有利于有序結(jié)構(gòu)化晶體的結(jié)構(gòu)形式。
圖1 BEX%-BA1-X%/P4VP(= 25.0,33.3,50.0,66.7)陰離子交換膜的FT-IR光譜
燃料電池性能通常在高溫時(shí)得到改善,并且30~70 ℃的范圍很令人感興趣。AEM的熱穩(wěn)定性是使用燃料電池的重要先決條件。圖2為BEX%- BA1-X%/P4VP(= 0,25.0,33.3,50.0,66.7)膜的TGA曲線。膜的TGA曲線顯示了三個(gè)主要的重量損失區(qū)域。根據(jù)TGA曲線,對(duì)于具有垂直于陽(yáng)離子中心的長(zhǎng)烷基鏈的膜,可以觀察到類似的重量損失階段。以BE25%-BA75%/P4VP膜為例,第一次重量損失發(fā)生在260 ℃之前,這對(duì)應(yīng)于吸收水的蒸發(fā)。在第二階段,由于聚合物主鏈?zhǔn)艿浇又﹂L(zhǎng)烷基側(cè)鏈的保護(hù)和支撐,因此降解溫度升高。260~370 ℃這一范圍主要是由于側(cè)鏈Q(jìng)A基團(tuán)和長(zhǎng)烷基鏈的分解,這表示膜已經(jīng)發(fā)生了初始降解。第三階段主要發(fā)生了聚合物主鏈的分解,主鏈的分解位置發(fā)生在370 ℃以上。從TGA曲線可以看出,接枝有長(zhǎng)鏈烷基的導(dǎo)電膜的熱穩(wěn)定性顯著高于未接枝的導(dǎo)電膜,并且熱損失隨著BA含量的增加而降低。BE0%-BA0%/P4VP膜在170 ℃時(shí)進(jìn)入第二階段降解(質(zhì)量損失達(dá)到15%),而BE25%-BA75%/P4VP膜在260 ℃時(shí)才開始第二階段降解(質(zhì)量損失只有8%)。此外,當(dāng)烷基側(cè)鏈支化從33.3%增加至75.0%時(shí),BEX%-BA1-X%/P4VP梳形聚合物的熱穩(wěn)定性得到改善,并且由于長(zhǎng)烷基側(cè)鏈的存在,熱損失逐漸減少,并且降低了P4VP的自催化降解行為。BA接枝率的增加顯著提高了BEX%-BA1-X%/P4VP梳形聚合物的結(jié)晶能力,并且烷基側(cè)鏈之間顯著增強(qiáng)的規(guī)律性意味著烷基側(cè)鏈間有一定的相互作用。側(cè)鏈之間增加的容量或間距的變窄有利于將側(cè)鏈組合成更有序的聚合物結(jié)構(gòu)。因此可以得出結(jié)論,所制備的膜在AEMFC應(yīng)用的溫度范圍內(nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性。
圖2 BEX%-BA1-X%/P4VP(= 0,25.0,33.3,50.0,66.7)陰離子交換膜的TGA曲線
含水率是陰離子交換膜的重要指標(biāo)之一,與燃料電池的性能有著密切的關(guān)系。由于AEM 主要以水作為載體,因此含水率對(duì)膜的導(dǎo)電能力也有很大的影響。但是含水率也不宜過高,若含水率太高,則會(huì)影響膜的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。結(jié)果表明,隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng),BEX%-BA1-X%/P4VP膜的含水率越來越高,最后保持不變,這是因?yàn)楦邷貤l件下與季銨基團(tuán)結(jié)合的水含量增多,從而形成了連通的離子傳輸通道[8]。由圖3可以看出,BE100%-BA0%/P4VP膜的含水率最大;隨著BA含量的增加和BE含量的減少,膜的平衡含水率呈逐漸下降的趨勢(shì),這主要是因?yàn)锽A的長(zhǎng)烷基側(cè)鏈?zhǔn)且环N疏水性脂肪鏈,長(zhǎng)疏水性脂肪鏈可以有效地減少季銨基團(tuán)吸附的水分子的數(shù)量。另外,BE中含有的羥基團(tuán)具有親水性,當(dāng)BE含量不斷下降時(shí),膜表面也從親水變?yōu)槭杷?/p>
圖3 BEX%-BA1-X%/P4VP(X = 25.0,33.3,50.0,66.7,100)陰離子交換膜的平衡含水率柱狀圖
溶脹度是膜的另一個(gè)重要性能之一,AEM 的溶脹度與含水率息息相關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明,陰離子交換膜的溶脹度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,最后保持不變。原因是隨著時(shí)間延長(zhǎng),交聯(lián)程度變大,膜的含水率和溶脹度都變大。由圖4可以看出,BE100%-BA0%/P4VP膜的溶脹度最大;隨著BE含量的增加,膜的溶脹度也隨之增加。這主要是因?yàn)锽A中的疏水性脂肪鏈可以有效地減少季銨基團(tuán)吸附的水分子的數(shù)量。另外聚合物膜中側(cè)鏈的增長(zhǎng),增加了料液在膜中吸附量,這意味著烷基側(cè)鏈對(duì)于料液在膜內(nèi)的吸附也有一定影響。有關(guān)研究表明,具有強(qiáng)微相分離能力的膜材料在相分離過程中可以形成相互連接的疏水網(wǎng)絡(luò),從而有效抑制膜材料的膨脹。因此,當(dāng)BE含量增加,BA含量減少時(shí),溶脹度降低。
圖4 BEX%-BA1-X%/P4VP(X = 25.0,33.3,50.0,66.7,100)陰離子交換膜的溶脹度柱狀圖
離子交換膜必須要有一定的機(jī)械強(qiáng)度,才能更好地應(yīng)用于燃料電池,以便在使用過程中能夠抵抗外界干擾。季銨化P4VP膜的機(jī)械性能如圖5和6所示。
圖5 BEX%-BA1-X%/P4VP(X = 25.0,33.3,50.0,66.7,100)陰離子交換膜的拉伸強(qiáng)度曲線
圖6 BEX%-BA1-X%/P4VP(X = 25.0,33.3,50.0,66.7,100)陰離子交換膜的斷裂伸長(zhǎng)率曲線
本實(shí)驗(yàn)中的拉伸強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長(zhǎng)率(Eb)在室溫下完全濕潤(rùn)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。從圖5和圖6中可以看出,隨著BA含量的增加,TS從6.8%增加到18.0%,而Eb從15.7%下降到5.9%;同時(shí),BE25.0%-BA75.0%/P4VP膜的拉伸強(qiáng)度最大,斷裂伸長(zhǎng)率最小。這是因?yàn)楫?dāng)BA含量增加時(shí),聚合物膜中疏水性長(zhǎng)鏈烷基鏈的含量也增加,同時(shí)膜材料的含水率和溶脹度迅速降低,從而使聚合物膜結(jié)構(gòu)具有更好的連貫性,導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度增大;另外,隨著交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行程度的增大,交聯(lián)劑將線形分子連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子,這可以增加膜中分子間的相互作用力,從而形成更加緊湊致密的膜結(jié)構(gòu),導(dǎo)致膜的拉伸強(qiáng)度增大,同時(shí)也使膜脆性增加,韌性減弱,斷裂伸長(zhǎng)率下降。
離子交換量(IEC)體現(xiàn)了陰離子膜與OH-之間進(jìn)行交換的能力,在一定程度上對(duì)膜的電導(dǎo)率也有影響。從圖7中可以看出BEX%-BA1-X%/P4VP膜的IEC總體變化不大。本實(shí)驗(yàn)中膜的離子交換容量(IEC)由季銨化P4VP中季銨陽(yáng)離子基團(tuán)吸引的OH-提供,因此膜的IEC由參加反應(yīng)的BE和BA的總量決定。由于每組中BE和BA的總量是恒定的,所以理論IEC值應(yīng)該相同,并且圖中測(cè)量的IEC值(滴定法)基本相同,這與理論結(jié)果一致。眾所周知,IEC直接反映了膜中親水離子交換基團(tuán)的含量,因此膜材料的含水率和溶脹度隨著IEC的增加而增加。然而,值得注意的是,由于聚合物結(jié)構(gòu)的差異,即使在相同的IEC下,不同膜材料的水分含量和溶脹度也會(huì)有很大差異。
圖7 BEX%-BA1-X%/P4VP(X = 25.0,33.3,50.0,66.7,100)陰離子交換膜的離子交換量柱狀圖
膜的離子傳導(dǎo)性非常重要,并且在燃料電池中起著重要的作用。陰離子交換膜的電導(dǎo)率受許多因素的影響,例如離子遷移速率和膜結(jié)構(gòu)。如圖8所示,對(duì)復(fù)合膜在不同溫度(30 ℃,40 ℃,50 ℃,60 ℃,70 ℃)下的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明,隨著溫度的升高,膜的電導(dǎo)率逐漸增加。這主要是因?yàn)殡S著溫度的升高,聚合物骨架變得相對(duì)松弛,復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)變得松散,導(dǎo)致膜中可用的離子體積增加,并擴(kuò)大了OH-遷移的陰離子傳輸通道,增加了遷移速度,因此電導(dǎo)率增加。從圖中可以看出,在70 ℃下,BE25%-BA75%/P4VP膜的導(dǎo)電率達(dá)到78 mS·cm-1。另外,由于BA中含有疏水性長(zhǎng)烷基側(cè)鏈,長(zhǎng)鏈烷基鏈被認(rèn)為可以促進(jìn)膜的自組合,使親水通道相互連接,從而為OH-的傳導(dǎo)提供更平滑的通道,更加快速有效的OH-輸送導(dǎo)致更高的電導(dǎo)率。
圖8 BEX%-BA1-X%/P4VP(X= 25.0,33.3,50.0,66.7,100)陰離子交換膜的OH?電導(dǎo)率
本文以4-乙烯吡啶為原料,通過季銨化與交聯(lián)反應(yīng),成功制備了一系列梳形陰離子交換膜。通過用過氧化苯甲酰做引發(fā)劑引發(fā)4-乙烯吡啶的聚合并在側(cè)鏈中同時(shí)引入親水性溴乙醇和疏水性長(zhǎng)脂肪鏈進(jìn)行季銨化反應(yīng),改善了膜的穩(wěn)定性,并且形成了致密緊湊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高了膜的機(jī)械強(qiáng)度。這種膜材料的室溫導(dǎo)電率高達(dá)34 mS·cm-1。這種梳狀陰離子膜的合成相對(duì)簡(jiǎn)單,并且具有連續(xù)的離子傳導(dǎo)通道和優(yōu)異的機(jī)械性能,在燃料電池領(lǐng)域有充分的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。
[1] N W Li, T Z Yan, Z Li, T T Albrecht, W H Binder. Comb-shaped polymers to enhance hydroxide transport in anion exchange membranes [J]. Energy Environ. Sci., 2012, 5:7888–7892.
[2] S Gu, R Cai, T Luo, K Jensen, C Contreras, Y S Yan*. Quaternary phosphonium based polymers as hydroxide exchange membranes [J]. Chem Sus Chem, 2010, 5: 555-558.
[3] 王吉林, 車全通, 孫文丹, 何榮桓*. 燃料電池用季銨化聚乙烯醇與羥基磷灰石陰離子膜[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 2011, 32: 1737-1740.
[4] Y. Zhao, H. M. Yu*, D. L. Yang, J. Li, Z. G. Shao, B. L. Yi. High-performance alkaline fuel cells using crosslinked composite anion exchange membrane [J]. J. Power Sources, 2013, 221: 247-251.
[5] C Qu, H M Zhang*, F X Zhang*, Bo Liu. A high-performance anion exchange membrane based on bi-guanidinium bridged polysilses -quioxane for alkaline fuel cell application [J]. J. Mater. Chem, 2012, 22: 8203-8207.
[6] 王劍. 自穩(wěn)定沉淀聚合制備聚(4-乙烯基吡啶)微粒子的研究[D]. 北京化工大學(xué), 2011.
[7] 劉昌華. 聚(4-乙烯吡啶)及其衍生物與天然高分子復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能研究[D]. 武漢大學(xué), 2004.
[8] 黃曉琴. 季銨化聚醚醚酮陰離子交換膜的制備及性能研究[J]. 化工新型材料, 2016, 44 (07): 115-117.
Preparation and Characterization of Crosslinked Alkaline Membranes for Fuel Cells
, WANG Ji-lin
(School of Chemical Engineering and Environmental Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)
A series of comb-shaped anion exchange membranes were successfully prepared by simultaneously introducing hydrophobic long aliphatic chains and hydrophilic bromoethanol (BE) to quaternize and crosslink poly-4-vinylpyridine (P4VP) in the side chain. The water absorption, ion exchange capacity, alkali stability, mechanical properties and electrical conductivity of the membrane were also studied when the content of brominated dodecane (BA) was changed. The results showed that,with the increase of BA content, the water absorption rate and swelling degree of the membrane decreased, the electrical conductivity increased, and the ion exchange capacity was basically unchanged. Among them, the water absorption rate of BE25.0%-BA75.0%/P4VP film was 11.8%, and the conductivity at room temperature was 34 mS·cm-1. These films have excellent thermal stability, their thermal decomposition temperatures are above 200 ℃; The BE25.0%-BA75.0%/P4VP film has the highest tensile strength (15.9 MPa) and the lowest elongation at break (5.9%), indicating that it has good mechanical properties.
fuel cell; anion exchange membrane; poly-4-vinylpyridine; conductivity; stability
遼寧省科技廳博士啟動(dòng)項(xiàng)目(20141126);遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2013153);遼寧石油化工大學(xué)博士啟動(dòng)基金(2013XJJ-006);國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。
2019-09-12
齊威(1997-),男。E-mail:1279955195@qq.com。
王吉林,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榫酆衔镫娊赓|(zhì)。E-mail:wangjilin1978@163.com。
TQ 425.23+6
A
1004-0935(2020)01-0001-06