原位合成法二氧化硅硅钨酸改性聚乙烯醇质子交换膜的研制.pdf

第35卷 第 1期 膜 科 学 与 技 术 Vo1．35 N0．1 2015年 2月 MEM略RANE SCIENCE AND TECHN0L0GY Feb．2015 原位合成法二氧化硅胜 钨酸改性聚乙烯醇 质子交换膜的研制 郝 燕 ，刘书题 ，郭贵宝¨，班 辉 ，赵文广 (1．内蒙古科技大学 化学与化工学院，包头014010； 2．内蒙古科技大学 材料与冶金学院，包头 014010) 摘要：以聚乙烯醇(PVA)为基体，利用原位合成法制备了二氧化硅(SiO2)和硅钨酸(SiWA)微 粒在 PVA基质中均匀分布的二氧化硅 ／硅钨酸改性聚乙烯醇(Si02／SiWA—m—PVA)质子交 换膜．利用扫描 电镜(SEM)和热重分析仪 (TG)分别对膜的形貌及热稳定性进行了表征，四氯 化硅与钨酸钠摩尔比对SiO2／SiWA—m—PVA质子交换膜的质子导电性能、阻醇性能的影响． 结果表明，四氯化硅与钨酸钠摩尔比为 1：1时，原位合成的二氧化硅和硅钨酸在质子交换膜 中分散均匀，在温度低于100℃时SiO2／SiWA—m—PVA膜保水性能好；室温质子电导率为 1．48×10～S／cm，甲醇渗透率为 1．37×10 cm ／s，比相同条件下Nafionl17膜 甲醇渗透率 低一个数量级 ，应用于直接甲醇燃料电池单 电池能量密度可达 11．82mw ／cm ． 关键词 ：质子交换膜；聚 乙烯醇；原位合成 ；二氧化硅 中图分类号：TM911．48 文献标志码：A 文章编号：1o07—8924(2O15)O1—0082-05 doi：10．16159／j．cnki．issnl007—8924．2015．01．014 质子交换膜作为直接 甲醇燃料 电池[1](DM- 性能[7]．但是将无机、有机物直接进行物理掺杂，无 FC)的核心部件之一，起着传导质子的作用，还要隔 机微粒在有机聚合物中分散不均匀、容易团聚，且在 绝燃料和氧气，其性能好坏决定了燃料 电池的工作 使用过程中质子酸易流失[8]．本文通过原位合成法 效率和使用寿命．目前应用广泛的全氟磺酸膜 (如 在 PVA 基体中生成二氧化硅 (Si0 )和硅钨酸 Nation膜)，甲醇渗透率大、制备成本高，限制 了 (SiwA)，制备了 Si()2／SiWA—m—PVA质子交换 DMFC的商业化应用[3]．聚乙烯醇 (PVA)具有 良 膜，并对其质子电导率、甲醇渗透率和电池性能等进 好的成膜性能，常作为聚合物电解质膜的基体材料， 行了研究． 但纯 PVA膜质子传导能力差、溶胀度大．为了解决 1 实验部分 这类问题，杨春晨等_5]利用无机一有机复合6『]的方 法直接掺杂具有导电能力的无机质子酸和保水能力 1．1 试剂 的无机微粒(二氧化硅、二氧化钛等)，提高了复合膜 聚乙烯醇 (PVA)，1799型，醇解度 99．8 ～ 的电导率和阻醇能力．其中，硅钨酸是一种含有大量 1009／6(mol／mo1)，阿拉丁试剂厂生产；四氯化硅、钨 的结合水的质子酸，易与质子 (H+)结合，可作为质 酸钠 (Na2WO4·2H20)：分析纯，购于 AlfaAesar； 子传递的载体和通道，能提高膜的质子导电能力；同 Pt—Ru／C质量分数为30A0，n(Pt)：n(Ru)一1：1、 时硅钨酸分子具有三维网络结构，可增强膜的阻醇 Pt／C质量分数为 40 ，上海和森 电气有限公司． 收稿 日期：2014—04—01；修改稿收到 日期 ：2014—06—12 基金项 目：内蒙古 自治区高等学校科学研究项 目(NJZZ13129)；内蒙古 自治 区 自然科学基金项 目(2012MS0804，