PGA納米纖維改性磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜的制備與性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，其具有功率密度高、能源利用率高、環(huán)保、啟動快等優(yōu)點(diǎn)，是能源利用的一種新方式。質(zhì)子交換膜(PEM)是其核心部件之一，起到傳遞質(zhì)子和隔絕燃料的作用，其性能的優(yōu)劣直接決定電池的性能。目前商業(yè)化的全氟磺酸膜具有昂貴的成本、高溫低濕時較低的質(zhì)子傳導(dǎo)率、較高的甲醇滲透率等缺陷，嚴(yán)重阻礙了質(zhì)子交換膜燃料電池的廣泛應(yīng)用。因此高性能、高性價比質(zhì)子交換膜的開發(fā)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。近年來，

2、具有大比表面積、較高長徑比、較好機(jī)械性能的納米纖維，被許多科研工作者應(yīng)用到質(zhì)子交換膜中以提高質(zhì)子交換膜的機(jī)械性能和質(zhì)子傳導(dǎo)性能。本論文以磺化聚醚砜為基礎(chǔ)，通過引入聚谷氨酸納米纖維來構(gòu)建質(zhì)子傳輸通道的方式制備高性能的質(zhì)子交換膜。主要研究內(nèi)容如下:
　　通過溶液噴射紡絲技術(shù)制備不同PGA含量的納米纖維，分析了牽伸風(fēng)速和聚谷氨酸的含量對纖維成型的影響。通過FESEM測試、FTIR分析、XPS分析和TGA分析表明隨著牽伸風(fēng)速的增加納米纖維

3、的成型性逐漸增加，當(dāng)牽伸風(fēng)速過大時纖維纏結(jié)嚴(yán)重;隨著PGA含量的增大纖維表面疵點(diǎn)增多，纖維直徑增大，熱穩(wěn)定性增加。通過電化學(xué)測試表明PGA納米纖維隨著溫度和濕度的升高納米纖維的電導(dǎo)率逐漸增大，另外隨著PGA含量的增加，纖維電導(dǎo)率也逐漸增加。
　　通過溶液浸漬的方法制備了不同聚谷氨酸納米纖維含量的SPES復(fù)合膜，復(fù)合膜的表面平整致密，納米纖維被SPES基質(zhì)完全包覆兩者相容性好。TG測試結(jié)果顯示，納米纖維的加入復(fù)合膜具有足夠的熱穩(wěn)定性

4、適用于直接甲醇燃料電池質(zhì)子交換膜。聚谷氨酸納米纖維復(fù)合膜的吸水率隨纖維含量的增大而增加，相比于SPES膜，復(fù)合膜的吸水率得到了極大的改善，復(fù)合膜的溶脹率在合理范圍內(nèi)。通過引入納米纖維成功構(gòu)建了質(zhì)子傳輸通道，并改善了SPES膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，且復(fù)合膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率隨著納米纖維含量的增加呈增加趨勢。SPES-30復(fù)合質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率最好，在80℃時高達(dá)0.261Scm-1。所有復(fù)合膜的阻醇性能均優(yōu)于純SPES膜，并且隨著聚谷氨酸納米纖維的

5、增加甲醇滲透系數(shù)減小。同時SPES-30具有最好的選擇性其值為29.72×104sscm-3。
　　利用輔助電極法靜電紡絲技術(shù)成功制備取向PGA納米纖維，通過溶液浸漬的方法，將納米纖維與SPES形成了復(fù)合質(zhì)子交換膜。通過掃描電鏡、XPS、XRD以及TG測試表明取向PGA納米纖維成功制備，并且具有較好的取向性和熱穩(wěn)定性;通過電化學(xué)性能測試表明所制備的取向PGA納米纖維復(fù)合膜具有較好的質(zhì)子傳到導(dǎo)性能，在復(fù)合膜的取向方向上質(zhì)子電導(dǎo)率在1