废弃聚苯乙烯制备质子交换膜工艺研究-开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告 课题名称 废弃聚苯乙烯制备质子交换膜工艺研究 系 部 材 料 工 程 系 专 业 高 分 子 材 料 班 级 T933-6 姓 名 张 浩 学 号 20090330635 指导教师签名（校内） 张军 指导教师签名（校外） 2013 年 3 月 20 日 1 课题背景及意义 50% ~70%)地?环境友好地转化为电能的高效发电装置?质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)由于具有能量转化率高?功率密度高?启动快和无污染等优点,成为近几年发展最快的一类燃料电池?质子交换膜是质子交换燃料电池的核心组件,它不仅作为电解质提供氢离子通道,又作为隔膜隔离两极反应气体?它的性能优劣直接影响着燃料电池的工作性能和应用发展?对于质子交换膜材料的研究已成为燃料电池研究工作中的热点之一?目前,无论是燃料为H2/O2的PEMFC,还是直接甲醇燃料电池(DMFC),使用的质子交换膜几乎全都是美国Du Pont公司生产的Nafion系列膜?尽管Nafion全氟磺酸膜具有机械强度高?化学稳定性好?质子导电率高(较大水含量时)等优点,但其成本高?甲醇渗透率大等缺点,极大限制了PEMFC的应用,尤其是DMFC的应用?因此,开发导电性能优良?成本经济?甲醇渗透率低的新型质子交换膜是现在研究的热门? 2 本课题及相关领域的国内外现状及发展 2.1 带有质子交换功能基团的单体与含氟单体共聚而成的质子交换膜 全氟磺酸膜 Nafion系列膜为代表?这种高分子材料的化学式如图1所示: Nafion系列膜具有高热稳定性,化学惰性和超强酸性,近年来在许多领域都得到广泛应用?如电解池膜分离器,气体扩散膜,燃料电池质子交换膜,超强酸催化剂和催化剂载体等? Nafion膜是目前用途最广泛的一类质子交换膜?虽然价格偏高,但它的综合性能目前还是其它质子膜无法比拟的?Nafion膜的最大缺点是Nafion膜的透过选择性较差,主要原因是Nafion膜内部无交联,其相对松散的结构使甲醇分子在胶束?通道及全氟化炭骨架和氟化醚支链问都可穿过?若直接用于甲醇燃料电池(DMFC),则有部分用作燃料的甲醇会不经氧化而直接穿透Nafion膜由阳极到达阴极?这已成为阻碍DMFC的效率提高及大范围使用 的主要障碍之一?因此,对Nafion膜进行改进也是目前研究的热点?将Nafion与 VDF-HFP(偏氟乙烯与六氟丙烯)的共聚物膜作为DMFC中的质子交换膜,可以在一定程度上降低甲醇的渗透率?随着VDF-HFP在共聚物中所占比例的增加,甲醇的渗透随之减少,以致无法通过?但是,膜的质子导电能力也下降,如何解决这两者的矛盾,将成为Nafion与VDF-HFP共聚物膜得以成功应用的关键? Tricoli的研究表明,经过Cs+ 处理的Nafion膜的甲醇渗透率也明显下降?这是十分有趣的发现?Cs+具有比H + 大得多的离子半径和弱得多的亲水性,它是通过对胶束和通道内部亲水区域的作用来影响甲醇渗透的?然而经Cs+修饰的Nafion膜导电性能有一定程度的下降? 全氟羧酸类膜 以日本旭硝子公司的Flemion膜为代表?这种高分子材料的化学式如图2所示: Flemion膜除了羧酸型的膜外,还有磺酸盐型的,也是一类已经商业化了的质子交换膜?主要用于氯碱化工中? 其他类型 除了以上两大类膜以外,可以用作质子交换膜的含氟聚合物还有全氟或部分氟化的芳香族聚台物?如:Ballarad公司生产的聚三氟苯乙烯磺酸膜等?但是目前这些含氟高分子膜还存在以下一些缺陷: 用液体燃料时,如甲醇,会发生燃料渗漏? 氟聚合物中有多种成分,其中不含氟的聚合物片段,可能耐化学腐蚀性不够,会产生降解,损害膜的强度,影响膜的性质和功能? 磺化基团分布不均,磺化度不够?影响其传递质子的能力? 机械强度差? 为此,世界各国的科研机构都在积极研究质子交换膜的新型合成工艺,以及对原有的质子交换膜进行性能上的改进? 2.2 先制成含氟高聚物膜,然后通过化学处理使其带上质子交换功能基团的质子交换膜 PTFE,FEP,PVDF,ETFE,PFA上,形成带有聚苯乙烯嵌段的含氟共聚物薄膜?第二步,用氯磺酸对高聚物中的苯环进行磺化,使磺酸基接到苯乙烯的苯环上?以PFA-g-PS为例,其结构式如图3所示: 辐照强度和辐照时间会影响接枝到膜上的苯乙烯的量,进而影响可引入的磺酸根浓度?在磺化过程中,磺化剂的浓度?反应时间?反应温度是三个重要影响参数?Walsby等人对接上PS后的PVDF膜的 磺化进