磺化聚苯醚一磷酸鋯質(zhì)子交換復(fù)合膜的制備與性能研究

質(zhì)子交換膜燃料電池具有高效節(jié)能、能量轉(zhuǎn)化率高、操作溫度低、冷啟動(dòng)時(shí)間短、腐蝕小、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，成為二十一世紀(jì)最受關(guān)注的產(chǎn)品之一，是新一代可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保型能源動(dòng)力系統(tǒng)。質(zhì)子交換膜(PEM)是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，近年來(lái)，全氟磺酸型膜(如：Nafion膜)已達(dá)到商業(yè)化生產(chǎn)，它在低溫工作時(shí)具有較好的保水能力和較高的質(zhì)子電導(dǎo)率，但制膜成本高，對(duì)環(huán)境不友好，從而限制了它的開發(fā)使用。為了解決全氟磺酸型膜的問(wèn)題，需要開發(fā)其他新型材料。其中非氟型聚合物因具有成本較低、較高的保水能力、穩(wěn)定性好、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)異性能，成為目前研究的熱點(diǎn)。但其制備的質(zhì)子交換膜存在質(zhì)子電導(dǎo)率偏低等問(wèn)題，學(xué)者們考慮通過(guò)在聚合物膜中添加具有較強(qiáng)質(zhì)子導(dǎo)電能力的質(zhì)子導(dǎo)體(如磷酸鹽、雜多酸和一些小分子無(wú)機(jī)酸等)，制備有機(jī)一無(wú)機(jī)雜化質(zhì)子交換膜來(lái)增強(qiáng)其質(zhì)子傳導(dǎo)能力。Kim合成的磺化芳醚砜一磷鎢酸復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性很好，質(zhì)子傳導(dǎo)性也很好，室溫下為8．0×10 S／cm,Zaidi等采用共混法制備了一系列的磺化聚醚醚酮和雜多酸的復(fù)合膜，這些膜具有很好的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，在室溫下復(fù)合膜的質(zhì)子電導(dǎo)率達(dá)到10．2 s／cm，且在水中存放幾個(gè)月后，膜仍具有較好的質(zhì)子傳導(dǎo)性能。各類非氟型有機(jī)聚合物中，聚苯醚(PPO)具有成本低、機(jī)械性能良好、電性能好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，磺化后的SPPO，還可提高它的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，成為一種較好的質(zhì)子導(dǎo)電材料，應(yīng)用于燃料電池。SPPO的質(zhì)子電導(dǎo)率隨磺化度的增大而增大，但與此同時(shí)，膜較易溶脹，因此在SPPO中摻雜無(wú)機(jī)納米粒子，既能提高其質(zhì)子電導(dǎo)率，又能提高其尺寸穩(wěn)定性。
ZrP材料具有較高的質(zhì)子電導(dǎo)率，在室溫及潮濕環(huán)境中通過(guò)溶膠一凝膠法制備的ZrP晶體，其質(zhì)子電導(dǎo)率為1．0×10-2S／cm。ZrP還具有良好的保水性能，由于其結(jié)構(gòu)的規(guī)整性和可設(shè)計(jì)性，還可與其它功能性材料進(jìn)行良好的復(fù)合，所以可與聚合物質(zhì)子交換膜復(fù)合制備有機(jī)一無(wú)機(jī)復(fù)合膜。已有文獻(xiàn)報(bào)道Nafion-ZrP的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合膜在燃料電池中表現(xiàn)出良好的性能。Bauer等在Nafionll7中摻雜ZrP后，提高了復(fù)合膜的質(zhì)子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度。Hill等如往磺化聚砜中摻雜ZrP，復(fù)合膜的質(zhì)子電導(dǎo)率在室溫能達(dá)6．0×10～S／cm。本研究采用溶膠一凝膠法將磺化聚苯醚和磷酸鋯復(fù)合制備SPPO-ZrP質(zhì)子交換復(fù)合膜。采用紅外光譜(FTIR)表征復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)；通過(guò)交流阻抗法研究復(fù)合膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，同時(shí)對(duì)復(fù)合膜的含水率和溶脹度進(jìn)行測(cè)試。重點(diǎn)考察不同ZrP摻雜比例對(duì)復(fù)合膜含水率、溶脹度和質(zhì)子電導(dǎo)率的影響，以期制備出成本低且具有較高質(zhì)子電導(dǎo)性能的燃料電池用質(zhì)子交換復(fù)合膜。