摘要
质子交换膜（PEM）是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件之一。现阶段应用的PEM主要是Nafion等全氟磺酸膜（PFSA），但Nafion膜存在应用成本比较高、高燃料交叉和质子传递过度依赖水等缺点。磺化聚醚醚酮（SPEEK）因其较低的成本和较好的机械性能引起人们的广泛兴趣，但SPEEK仍然存在高温下的质子传导依赖于水，且吸水溶胀现象较为严重的问题，因此需要对SPEEK膜进行改性以增强其各方面的性能。 为提高质子电导率，本文设计出不同的离子液体。IL在PEM应用中可以提供新的质子传递位点，然而离子液体在SPEEK膜中容易流失的问题，为了解决这一问题引入无机纳米材料GO。GO可以和功能分子之间通过氢键、共价键、π-π相互作用以及静电相互作用合成具有特殊功能的复合材料。利用IL和GO之间的不同作用将IL限制在SPEEK膜中。与此同时，二者相互作用可以提高PEM的机械性能和尺寸稳定性，从而制备出性能优异的PEM。最后用表征和测试手段对制备的纳米材料和PEM进行分析。主要的研究内容如下： （1）采用溶液浇铸法将三乙胺磷酸盐（TEAP）和GO同时掺杂于SPEEK基膜中，通过TEAP和GO之间的氢键作用以及GO与SPEEK之间形成的纳米限制效应将TEAP锚定在SPEEK基质上。首先，制备TEAP这种铵离子液体（AIL），通过TEAP来提供更多的质子转移位点。然后，GO插入复合膜中构建了连续的质子转移通道，以此来增加复合膜的质子传导性，并且GO提供了一定的支撑骨架，使复合膜拥有良好吸水率的同时有着更好的尺寸稳定性。最后通过研究分析发现TEAP和GO共同作用的复合膜具有更低的IL流失率，且SPEEK/AIL/GO-2膜在120℃下的质子电导率达到了17.34mScm-1，是原始SPEEK膜的2.19倍。 （2）将IL吸附于GO表面，以此来减缓IL的流失。成功制备了3-(3-磺酸)丙基苯并噻唑磷酸二氢盐（[(CH2)3SO3HBth][H2PO4]）离子液体，这是一种磺酸功能化的苯并噻唑离子液体。并将其通过阳离子-π作用和GO结合得到IL吸附的GO（IL-GO）。该IL可以同时作为质子受体和供体，使高温下的质子传递摆脱水的束缚。通过分析得出IL-GO改性的复合膜具有良好的机械性能，其中SPEEK/IL-GO-2膜的弹性模量是SPEEK膜的1.39倍。且SPEEK/IL-GO-2膜的质子电导率在120℃达到了18.02mScm-1，是SPEEK膜的2.43倍，有了较大提升。 （3）采用逐步功能化的方法将IL与GO结合在一起，减少了IL的流失。将GO的羧基通过酰化反应活化之后，将咪唑双阳离子通过共价接枝的方式结合在GO上，然后将磷钨酸阴离子引入其中得到双阳离子液体接枝的GO（DIL@GO）。咪唑阳离子与SPEEK上的-SO3H形成酸碱对作为沿通道表面的低能垒通道，连续的路径确保了质子通过这些传递位点时的有效转移。最后通过研究表明：含有DIL@GO的复合膜热稳定性和力学性能更好，所有复合膜的质子电导率都高于SPEEK膜，其中SPEEK/DIL@GO-3膜在120℃下电导率达到19.61mScm-1。
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