納米纖維改性Nafion復合質子交換膜的制備與性能.pdf

1、質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種可以將化學能直接轉化為電能的能量轉換裝置，具有功率密度高、啟動快、環境友好等優點，是未來社會發展急需的綠色技術。質子交換膜(PEM)是PEMFC的核心部件，起著傳導H+和隔絕燃料等作用，其性能的優劣決定著PEMFC性能的高低。目前廣泛應用的全氟磺酸質子交換膜因性能和成本等原因大大限制了廣泛應用及PEMFC的發展，因此高性能質子交換膜的開發已成為相關研究熱點。近年來，利用納米材料的特性強化質子傳遞過程

2、，增強膜的機械性能構建高性能質子交換膜的方法引起了研究者廣泛的興趣。本論文以Nation膜為基礎，通過引入納米纖維構建一維質子傳遞長通道的方式建立了高性能PEM的制備新方法。主要研究內容如下：
　　采用本實驗室自有的專利技術——溶液噴射紡絲技術紡制了SPES/PES納米纖維并通過溶液浸漬法，制備了納米纖維/Nation(NF/Naton)復合質子交換膜。所制備SPES/PES納米纖維形態良好，平均直徑主要分布在300-450nm。

3、復合膜具有良好的熱穩定性、吸水率和電導率。納米纖維的存在大大提高了復合膜的質子傳導性能，80℃下NF/Nafion-20復合膜電導率為0.145 S/cm。纖維含量增大復合膜吸水率也增大但復合膜尺寸穩定性提高，這是由于納米纖維在復合膜中起到骨架作用，限制了膜的溶脹。納米纖維復合膜較Nation117具有更好的選擇性，NF/Nafion-20復合膜的選擇性最好，選擇性值為9.6×104 Sscm-3。
　　基于SiO2等無機材料具有

4、優異的保水性能及熱穩定性等特點，論文通過溶液噴射紡絲技術紡制備了SPES/SiO2雜化納米纖維，進而制備了SPES/SiO2/Nafion復合膜。實驗結果表明，復合膜的熱穩定性、吸水率和尺寸穩定性均得以改善。SPES/SiO2/Nafion-15復合膜在80℃下，質子電導率可以達到0.154 S/cm。SiO2的存在一定程度上提高了復合膜的阻醇性，所得復合膜的甲醇滲透率都低于Nation膜和SPES/PES/Nation復合膜，SPES

5、/SiO2/Nation-25復合膜甲醇透過系數達到6.3×10-7 cm2/s。
　　蛋白質在生物體內的質子傳輸過程中扮演著重要角色，受此啟發，利用靜電紡絲的方法制備了SiO2無機納米纖維，并通過羧基化及氨基酸固載處理將賴氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、絲氨酸固載到SiO2納米纖維表面。以期通過在纖維表面引入氨基酸分子鏈的方式，增加復合膜內部H+的傳輸位點，提高復合膜的質子傳導率。研究結果表明氨基酸分子鏈長短對復合膜吸水率、溶脹率、質子

6、傳導率無影響，但可以影響納米纖維直徑的大小。氨基酸分子鏈極性基團的數目及極性大小對復合膜性能有較大影響，極性基團越多及基團極性越強則導致復合膜吸水能力和質子傳到能力提高。吸水率由大到小為Nation-Cys＞ Nafion-Ser＞Nation-Lys＞Nafion-Gly＞Nafion。吸水率的大小影響了溶脹率所以溶脹率由大到小為Nafion＞Nafion-Cys＞ Nafion-Ser＞Nation-Lys＞Nafion-Gly。由