氮/硫双杂化非贵金属碱性阴离子膜燃料电池阴极非铂催化剂

以吡咯和对甲苯磺酸(TsOH)作为碳载过渡金属催化剂的掺杂剂,经溶剂分散及600℃热处理制备了一种高效催化氧还原反应(ORR)的碳载双杂化过渡金属催化剂(Fe-N/C-TsOH-600).利用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂的结构进行表征.运用旋转圆盘电极(RDE)技术研究了该催化剂在碱性介质中催化氧还原的电化学催化活性和稳定性,探讨了不同浓度甲醇溶液对Fe-N/C-TsOH-600催化剂催化氧还原活性的影响.结果表明,以Fe-N/C-TsOH-600制备的气体扩散电极在0.1 mol/L KOH电解质溶液中对氧具有很高的选择催化还原活性和稳定性.当电极经过4800圈循环伏安(CV)扫描测试后,催化剂催化氧还原的性能基本保持稳定,并以4电子途径将氧气催化还原.此外,研究还发现,Fe-N/C-TsOH-600在混有甲醇的碱性电解质溶液中对氧的催化还原选择性比商业Pt/C催化剂高.XPS结果表明,吡咯氮是催化剂高效催化氧还原的主要活性中心,提供氧还原的活性位,而TsOH作为供硫掺杂剂对提高催化剂的活性具有重要作用,其加入后形成的C—S—C有利于催化剂催化氧还原活性的提高,从而使该催化剂对氧还原表现出很好的电催化性能和选择性.

化学交联聚乙烯醇改性纤维素碱性阴离子交换复合膜的制备与性能

高稳定性碱性阴离子交换膜的制备已成为碱性固体电解质膜研究领域的一大热点.本文通过聚乙烯醇化学交联改性制备出了季铵化羟乙基乙氧基纤维素碱性阴离子交换膜(PVA/QHECE).采用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、热重(TG)分析、交流(AC)阻抗等方法考察了复合膜的分子结构、热稳定性、耐碱稳定性及离子电导率等性能.详尽考察了交联时间、交联剂含量、聚合物组成对成膜力学强度、含水率以及OH^-电导率的影响.实验结果表明:随着交联时间的增加,膜的溶胀率降低,力学强度随之增强,而离子电导率随膜含水率的降低没有发生明显变化,室温下OH^-的电导率在3.26×10^(-4)-4.44×10^(-4)S·cm^(-1)范围内变化.热重分析结果显示:掺入42.9%的QHECE时,膜的热分解温度达260℃.此外,将PVA/QHECE膜在6 mol·L^(-4) KOH浓碱溶液中80℃浸渍处理168 h,膜的电导率从4.90×10^(-4)S·cm^(-1)提高到9.68×10^(-4)S·cm^(-1),而膜的外观和力学强度以及含水率未发生明显变化,这一结果表明该膜具有很好的耐碱化学稳定性,有望作为一种新型的碱性燃料电池用离子交换膜.

高性能交联型SEBS基碱性阴离子交换膜的制备及性能

将苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)进行氯甲基化反应,加入苄基四甲基胍(BTMG)和二正丁胺(DBA)进行反应,制备了一类含胍阳离子交联的SEBS基SEBS-BTMG-DBA碱性阴离子交换膜(简称碱性膜)。为进一步提高SEBS-BTMG-DBA的OH-传导率,将其通过三甲胺(TMA)进行二次季铵化反应,成功制备了一类高导电率、高化学稳定性的SEBS基SEBS-TMA碱性膜。结果表明:80 ℃时,SEBS-TMA碱性膜的OH-传导率为51.50 mS/cm,离子交换容量为1.41 maq/g,明显高于未二次季铵化处理的SEBS-BTMG-DBA碱性膜;SEBS-TMA碱性膜的杨氏模量为356.5 MPa,在80 ℃条件下,1 mol/L的NaOH溶液中510 h后仍保持90%以上的OH-传导率。所制SEBS-TMA碱性膜在碱性燃料电池中有较好的应用前景。

用于燃料电池的聚乙烯醇/纤维素/聚乙二醇碱性阴离子交换复合膜的制备及性能

通过对聚乙烯醇(PVA)/季铵化羟乙基乙氧基纤维素(QHECE)共混膜进行聚乙二醇(PEG)聚塑化改性,采用物理-化学交联联用法制备了PVA/QHECE/PEG碱性阴离子交换复合膜.通过交流(AC)阻抗、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)、气相色谱(GC)和拉伸实验等手段考察了不同PEG添加量对膜的离子电导率、分子结构、微观形貌、热稳定性、力学强度、甲醇渗透率和耐碱稳定性等性能.结果表明,PEG的加入(除最小比例外)提高了膜的离子电导率和力学强度并使其柔韧性增大.同时,膜的热稳定性比未添加PEG时提高了40℃.将PVA/QHECE/PEG膜在80℃,6 mol/L KOH浓碱溶液中浸渍处理264 h,膜的电导率从1.06×10-3S/cm提高到3.88×10-3S/cm,而膜的外观和力学强度及含水率未发生明显变化,表明该膜具有很好的耐碱化学稳定性.此外,以3 mol/L甲醇溶液为测试目标,膜的甲醇渗透率<10-7cm2/s,仅为商业用Nafion膜的1/20～1/40.

碱性阴离子交换聚合物膜研究进展

碱性燃料电池(AFCs)是一种直接将化学能转化为电能的发电装置,因其高效、环保等优点,得到了科学界与工业界的广泛关注。阴离子交换聚合物膜作为碱性阴离子交换膜燃料电池的核心组成部分,要求其具备优异的电导率、良好的化学稳定性及力学强度。本文主要从聚合物主链及阳离子官能团的结构与性能之间的关系及调控方式方面,综述了碱性阴离子交换膜的研究进展。

自支撑NiFe LDHs@Co-OH-CO_(3)纳米棒阵列电极用于碱性阴离子交换膜电解水

开发高效耐用的电极对碱性阴离子交换膜电解水(AEMWEs)制氢至关重要。在这项研究中,我们展示了一种高效且稳定的自支撑NiFe LDHs@Co-OH-CO_(3)/NF纳米棒阵列电极分别用于析氧反应(OER)和AEMWE的阳极。在这项工作中,我们将2D的镍铁层状双金属氢氧化物纳米片(NiFe LDHs)原位生长在1D的碱式碳酸钴纳米线上(Co-OH-CO_(3)/NF),最终得到独特的纳米棒阵列复合结构电极。在三电极体系中,自支撑NiFe LDHs@Co-OH-CO_(3)/NF对OER具有良好的催化活性,在1 mol·L^(-1)KOH中,当电流密度为20 m A·cm^(-2)时,过电位为215 mV。当自支撑NiFe LDHs@Co-OH-CO_(3)/NF作为AEMWE的阳极(70℃,1 mol·L^(-1)KOH),在电流密度为0.5 A·cm^(-2)时,电解电压为1.72 V,并且具有较好的稳定性。进一步的实验表征结果显示了自支撑NiFe LDHs@Co-OH-CO_(3)/NF的优异性能是其具有特殊的形貌结构。这是由于纳米棒阵列电极的三维分层结构可以有效防止纳米片团聚,从而有利于电子转移,为水分解提供大量的边缘活性位点。

环状铵离子功能化聚氯乙烯阴离子交换膜的制备

以聚氯乙烯为原料,通过接枝反应引入N-甲基哌啶和N-甲基吡咯烷两种环状铵离子,成功制备了甲基吡咯铵离子官能化聚氯乙烯(Pyr-PVC)及甲基哌啶铵离子官能化聚氯乙烯(Pip-PVC),并对该系列碱性阴离子膜的离子导电率、力学性能、氧化稳定性等进行了测试。结果表明:Pip-PVC和Pyr-PVC在80℃时的离子导电率均最高,分别为75.3,79.4 mS/cm,而其吸水率和溶胀度维持在较低的水平;Pip-PVC和Pyr-PVC的拉伸强度为19.3~29.9 MPa,断裂伸长率为42.5%~70.2%。该碱性阴离子膜所用原料成本较低,在碱性燃料电池、海水淡化等领域应用前景较好。

燃料电池用碱性阴离子交换膜的研究进展

碱性阴离子交换膜(AAEM)是碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)的核心部件,起到阻隔阴阳两极和传导OH-的双重作用,其性能好坏直接影响到AAEMFC的性能和使用寿命。从膜的结构和制备方法分类,综述了碱性阴离子交换膜燃料电池用有机-无机杂化膜、掺杂型膜及均相膜的特性和研究现状。

碱性燃料电池用阴离子交换膜材料的研究进展

碱性阴离子交换膜(AEM)是碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)的最重要组成部分,它必须严格达到机械、化学和热力学方面的要求,并能确保跟电极接触良好,契合不同规则的电极形状。本文概述了碱性燃料电池用阴离子交换膜材料的应用、分类及发展趋势。

阴离子交换膜阳离子基团的碱稳定性研究进展

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)因其优异的动力学反应特性、可使用低成本的非Pt催化剂、可抑制燃料渗透等优点而得到迅速发展.阴离子交换膜(AEMs)作为AAEMFCs的核心部件,对AAEMFCs的性能起到直接且关键的影响.为满足AAEMFCs的使用性能,AEMs通常需要具备高OH^(-)电导率及优异的热稳定性、机械稳定性及碱稳定性.然而目前AEMs的碱稳定性仍面临着巨大挑战.AEMs碱稳定性的下降主要是由于碱性环境下AEMs的聚合物骨架和阳离子基团的降解所致.本文将结合近年来国内外研究进展梳理AEMs的阳离子基团的碱稳定性问题及解决思路,并对其未来的发展趋势进行了合理的预测.

主链结构对阴离子交换膜碱稳定性的影响

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)可使用低成本的非Pt催化剂,具有反应高效及环境友好等优点,因可在一定程度上取代质子交换膜燃料电池(PEMFCs)而备受关注.阴离子交换膜(AEMs)作为AAEMFCs的核心部件,需要兼备优异的OH-传输性能、机械性能、热稳定性及碱稳定性等.但目前AEMs仍面临的巨大挑战是耐碱性较差,不能够大规模商业化应用.本文重点综述了聚合物主链结构对AEMs的碱稳定性的影响,分析总结了碱性环境下AEMs主链的降解机理及提高碱稳定性的解决思路,并对未来可能的发展方向进行了展望.

气体扩散电极参数对阴离子交换膜燃料电池性能的影响(英文)

优化了碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)使用的气体扩散电极(GDE),发现催化层中PTFE含量与催化剂担载量对电池性能与其电化学动力学特征影响很大.采用i-V曲线,开路电压,电池内阻与在线的电化学阻抗谱与动力学分析,评估了所制GDE的电化学性能.在所研究的AAEMFC电极催化层中,PTFE的最佳含量是20%,Pt载量对膜电极三相界面、催化层导电性与催化剂利用率的影响极大.当制备的GDE催化层中Pt/C的Pt载量为1.0 mg/cm2,PTFE含量为20%时,AAEMFC的峰电流密度在50 oC达到了213mW/cm2.兼顾Pt催化剂的利用率与成本,在没有明显影响电池性能的情况下,Pt的担载量可降至0.5 mg/cm2.

聚苯并咪唑／改性聚环氧氯丙烷阴离子交换膜的性能

通过缩聚法制备了含氟聚苯并咪唑(FPBI),以1–甲基咪唑和聚环氧氯丙烷为原料,制备了咪唑盐修饰的聚环氧氯丙烷(Im PECH),并通过溶液浇铸法制备了FPBI/Im PECH复合膜。系统地研究了复合膜中Im PECH含量的不同对复合膜的力学性能、热稳定性、离子电导率、离子交换容量(IEC)、吸水率、溶胀度等性能的影响。研究结果表明,随着Im PECH含量的增加,复合膜的吸水率、溶胀度、IEC、离子电导率逐渐增加,依然能够保持良好的力学性能和热稳定性。FPBI/Im PECH复合膜在80℃下最高电导率达到55.74 m S/cm,并展示了优异的耐碱性,该复合阴离子交换膜有望在碱性阴离子交换膜燃料电池中得到应用。

新型[BTMG]OH离子液体的合成及其在阴离子交换膜中的应用

以溴代正丁烷、N,N,N′,N′-四甲基胍(TMG)为原料,通过两步法合成新型氢氧型N,N,N′,N′-四甲基-N″-丁基胍离子液体([BTMG]OH).以聚乙烯醇为制膜原料、戊二醛为交联剂、离子液体[BTMG]OH为掺杂物,通过流延法制备了PVA/[BTMG]OH复合膜.实验过程中,通过红外光谱、热重分析对所制备的复合膜的结构、热稳定性进行表征.同时考察了离子液体含量对PVA/[BTMG]OH复合膜的含水率、溶胀性能、离子交换容量、机械性能及电导率的影响.其中,当离子液体质量分数为38.07%时,复合膜具有良好的综合性能,此时膜的含水率和拉伸强度分别为139.6%和19.6MPa;60℃时,该膜的电导率为2.33×10-2 S/cm.另外,该膜经过60℃、400h、KOH(6mol/L)的耐碱性测试,60℃时的电导率为2.25×10-2S/cm,降幅仅为3.3%,且外观形貌无明显变化,表现出优异的耐碱稳定性.

交联剂在碱性阴离子交换膜燃料电池中的应用研究

碱性阴离子交换膜(AAEM)是碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)的核心组件。通过使用交联剂,可以提高AAEM的机械强度、稳定性和耐化学腐蚀等性能。本文对有机聚合物中加入不含亲水基团、含醚键及含阳离子基团等交联剂对AAEM性能的影响进行了总结,最后展望了未来的研究应该着重优化交联剂的选择和组合等,以促进AAEMFC的发展。

氟代苯基聚降冰片烯单阴离子交换膜的制备及损伤可视化检测

具有高的离子电导率和碱性稳定性的碱性阴离子交换膜(AEMs)是制备碱性燃料电池的关键.通过合理的分子设计,选用全烷烃基聚降冰片烯嵌段共聚物作为AEMs的主链,可有效避免AEMs在强碱条件下的降解.同时在侧链中引入亲水性含氟苯基季铵盐作为离子导电基元,疏水性三乙基硅基团作为非导电基元,利用二者之间的亲疏水作用,在薄膜中形成可供OH-迁移的离子通道,有助于提高AEMs的电导率.通过调节含氟苯基季铵盐中氟原子的数目,可以调节离子通道的大小,从而实现对薄膜电导率的调控.另外,为了实现AEMs的损伤可视化监测,将具有聚集诱导发光作用的四苯乙烯基二降冰片烯酰亚胺作为交联单体引入聚合物中,通过烯烃的复分解反应,开环聚合制备得到单离子AEMs.聚合物表现出优异的热稳定性(5%热失重温度T_(d)>250℃),力学性能(σ_(b)=36.56 MPa,δ=16.92%)和耐碱性能(在6 mol/L NaOH溶液中浸泡7天后,电导率仅下降3.3%).通过扫描电子显微镜可观测到微相分离形成的离子通道,与已报道的单离子AEMs相比,表现出较高的离子电导率(80℃,24 mS/cm).在365 nm光照下,薄膜发出均匀的绿色荧光,损伤处则无荧光,实现了AEMs的可视化检测.

碱性阴离子交换膜燃料电池特性研究

本建立了一个三维碱性阴离子交换膜的多相流模型。通过利用Fluent的用户自定义程序,把所建立的模型耦合到计算流体力学中进行求解。最后仿真结果发现,随着电流密度的增加,液态水含量减少的趋势越明显。这一研究对于深入认识AAEM燃料电池传热传质机理,发展AAEM燃料电池传热传质理论有重要的科学意义。

燃料电池用碱性阴离子交换膜链结构调控研究进展

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)因氧还原动力学快、可使用非Pt催化剂、成本低等优点迅速发展成燃料电池的重点研究领域.作为AAEMFCs的核心组件,碱性阴离子交换膜(AAEMs)的性能直接影响着燃料电池的输出性能和使用寿命.为保证燃料电池高效、稳定、长时间的运行,AAEMs应具备高的离子电导率、尺寸及化学稳定性.但目前开发的膜尚难同时满足这些要求,在实际应用中依然面临阴离子传输效率与尺寸稳定性难以兼顾、碱性稳定性较差等问题.本文将结合近年来国内外及本课题组的研究进展,梳理AAEMs发展中存在的关键问题与解决思路,展望未来的发展方向.

耐碱的胍盐阴离子交换膜研究进展

近年来,碱性阴离子交换膜燃料电池的发展得到了国内外研究人员的广泛关注,其中开发具有高碱稳定性的阴离子交换膜材料成为了研究的热点和难点.除了聚合物骨架,改善离子基团的稳定性对于阴离子交换膜材料整体稳定性的提高具有关键作用.胍盐离子作为一种新型的离子基团,分子结构中正电荷共轭分布在中心碳和3个氮原子上,电荷高度离域使得胍盐离子具有非常优异的热稳定性和化学稳定性,有望解决传统季铵盐离子在碱性条件下存在的降解问题.本文综述了近年来胍盐型阴离子交换膜材料的研究进展,其中包括胍盐阴离子交换膜材料的制备、分类以及胍盐离子的降解机理,同时对于耐碱型胍盐阴离子交换膜的结构设计进行了分析和展望.

含二季铵化侧链的聚苯醚的合成及性能研究

作为碱性阴离子交换膜燃料电池的核心部件之一,碱性阴离子交换膜起到分隔阴阳两极和传导氢氧根离子的作用。为了探索侧链型碱性阴离子交换膜材料的合成新途径,以商业化的3,5-二羟基苯甲醇、N,N-二甲氨基氯丙烷盐酸盐和3-溴丙炔为原料,通过威廉姆逊醚合成法和季铵化反应,合成了一种新的二季铵化侧链前体,然后通过点击化学将侧链前体接枝到叠氮化聚苯醚上,制得了一类基于二季铵化聚苯醚的新型碱性阴离子交换膜材料(QE-PPO-x)。通过傅里叶红外光谱、核磁共振光谱对侧链前体和QE-PPO-x进行了结构表征。透射电镜图表明,QE-PPO-x-I膜存在一定的微相分离结构。性能测试表明,膜具有良好的热稳定性和机械性能,QE-PPO-20-OH膜在80℃时的离子传导率可达123.3 ms/cm。