基本信息
- 項目名稱：
- 磺化苯膦酸鈰(CeSPP)及SPPES/CeSPP復合膜的制備與表征
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本文首次合成了一種新型的高溫質子導體——磺化苯膦酸鈰(CeSPP), 對其合成工藝、產品的分離提純進行了研究，并以磺化雜萘聯(lián)苯聚醚砜(SPPES)作為基體聚合物, 制備了一系列SPPES/CeSPP雜化膜。利用SEM, XRD, TGA對其進行表征，并測得了雜化膜的質子傳導率。
- 詳細介紹：
- 利用SO3為磺化試劑和磺化苯膦酸在1,2-二氯乙烷中反應，制備出間磺化苯膦酸(msPPA)通過磺化苯膦酸和硝酸鈰銨反應，首次合成了高溫質子導體磺化苯膦酸鈰(CeSPP)，采用共混法將CeSPP摻雜到磺化度(DS)為85%的磺化雜萘聯(lián)苯聚醚砜(SPPES)中，通過溶液澆鑄制得復合膜。用傅里葉紅外(FT-IR)和X-射線粉末衍射(XRD)表征了CeSPP和SPPES/CeSPP復合膜結構及結晶情況。用熱重分析(TGA)表征了它們的熱穩(wěn)定性，用掃面電鏡(SEM)觀察了形貌。研究了復合膜在100%相對濕度下質子傳導率。發(fā)現(xiàn)隨著CeSPP含量的增加，復合膜的電導率增加。其的最高電導率在130℃時達到0.38 S/cm.
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：直接甲醇燃料電池因其對能源和環(huán)保的貢獻而具有廣闊的應用前景。質子交換膜是其心臟部分。而摻雜無機質子導體的復合膜在這一領域具有較大優(yōu)勢。本文首次合成一種新型無機質子導體，并摻雜到聚合物中，制得質子交換膜。 基本思路：采用苯膦酸磺化工藝制備磺化苯膦酸，磺化苯膦酸與硝酸鈰銨反應制備磺化苯膦酸鈰（CeSPP），CeSPP摻雜到磺化雜萘聯(lián)苯聚醚砜制備了雜化高溫質子交換膜。
科學性、先進性及獨特之處
- 磺化苯膦酸鈰及其摻雜的膜材料的研究之前在國內外均無文獻報道。只有磺化苯膦酸鋯的制備方法， 但這種方法不能應用于其它磺化苯膦酸鹽的制備，因為多數(shù)磺化苯膦酸鹽會溶于濃硫酸而不能提取出來。 區(qū)別于磺化苯膦酸鋯的制備方法，磺化苯膦酸鈰創(chuàng)造性的采用了“先制備磺化苯膦酸，然后再與金屬鹽溶液反應制備磺化苯膦酸鹽”，這種方法具有廣泛的引導意義，為無機質子導體的研究開辟了新的道路。 。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 在燃料電池的各組件中，其它材料均能在120-180℃下使用，僅通常使用的Nafion膜在高于100℃低濕度下，其導電率會迅速下降，而不能使用。而本復合膜能夠作為Nafion膜的替代膜應用于燃料電池中。 本產品適用于高溫質子交換膜燃料電池，直接甲醇燃料電池，高溫電解，高溫電化學傳感器，超級電容器，太陽能電池等相關領域，具有廣闊的應用領域和非常好的推廣應用前景
學術論文摘要
- 利用SO3為磺化試劑和磺化苯膦酸在1,2-二氯乙烷中反應，制備出間磺化苯膦酸(msPPA)通過磺化苯膦酸和硝酸鈰銨反應，首次合成了高溫質子導體磺化苯膦酸鈰(CeSPP)，采用共混法將CeSPP摻雜到磺化度(DS)為85%的磺化雜萘聯(lián)苯聚醚砜(SPPES)中，通過溶液澆鑄制得復合膜。用傅里葉紅外(FT-IR)和X-射線粉末衍射(XRD)表征了CeSPP和SPPES/CeSPP復合膜結構及結晶情況。用熱重分析(TGA)表征了它們的熱穩(wěn)定性，用掃面電鏡(SEM)觀察了形貌。研究了復合膜在100%相對濕度下質子傳導率。發(fā)現(xiàn)隨著CeSPP含量的增加，復合膜的電導率增加。其的最高電導率在130℃時達到0.38 S/cm. 關鍵詞：直接甲醇燃料電池; 高溫質子交換膜；磺化苯膦酸鈰；磺化雜萘聯(lián)苯聚醚砜
獲獎情況
- 無
鑒定結果
- 由作者署名，介紹磺化苯磷酸鈰的論文已發(fā)表于《materials letters》。（見附件）
參考文獻
- [1] V. Baglio, A.S. Arico, A.D. Blasi, V. Antonucci, P.L. Antonucci, S. Licoccia, E. Traversa, F.S. Fiory, Nifion–TiO2 composite DMFC membranes: physico-chemical properties of the filler versus electrochemical performance, Electrochim. Acta 50 (2005) 1241–1246. [2] Z.X. Hu, Y. Yin, K.-I. Okamoto, Y. Moriyama, A. Morikawa, Synthesis and characterization of sulfonated polyimides derived from 2, 2 -bis (4-sulfophenyl)-4, 4 -oxydianiline as polymer electrolyte membranes for fuel cell applications, J. Membr. Sci. 329 (2009) 146–152。 [3] G. Alberti, M. Casciola, L. Massinelli, B. Bauer, Polymeric proton conducting membranes for medium temperature fuel cells (110–160 ?C), J. Membr. Sci. 185 (2001) 73–81. [4] Z.F. Li, F.L. Dong, L.J. Xu, S.W. Wang, X.J. Yu, Preparation and properties of medium temperature membranes based on zirconium sulfophenylphosphate/sulfonated poly(phthalazinone ether sulfone ketone) for direct methanol fuel cells. J Membr Sci. 351 (2010) 50–57.
同類課題研究水平概述
- 目前直接甲醇燃料電池（DMFC）研究開發(fā)的關鍵問題是催化劑的活性低和膜的甲醇滲透率高。提高燃料電池的工作溫度可以提高催化劑的活性和甲醇的氧化速率，是解決這兩個問題的有效途徑。DMFC中的其它材料如催化劑和極板等，均能耐中溫，而DMFC中通常使用的Nafion膜在高于100℃后，由于其持水率降低，導致電導率大幅下降。因此在中溫（120℃~180℃）下使用的膜的開發(fā)研究成為技術關鍵。 雜萘聯(lián)苯類有機高分子是一類性能優(yōu)越的功能材料，其特點是耐熱、可溶、化學和機械穩(wěn)定性好?；腔男院缶哂休^高的質子傳導率。如PPES、PPESK、PPEK，可在發(fā)煙硫酸中磺化制得SPPES、SPPESK、SPPEK，用其制成的質子交換膜，具有良好的質子電導率。由于其在高溫下溶脹度較大，SPPES、SPPESK膜無法滿足高溫下的操作要求。所以摻雜無機質子導體的高溫質子交換膜成為研究重點。 由山東理工大學李忠芳教授帶領的直接甲醇燃料電池研究組于2008年十月研制出了SPPES/ZrSPP膜為近年來高溫質子交換膜最重要的突破之一。其課題組申報的磺化苯膦酸鋯摻雜SPPES制備高溫質子交換膜的發(fā)明專利已經(jīng)獲得授權。 磺化苯膦酸鈰的研究在國內外尚無文獻報導。其質子傳導率高于10-2，并且在180℃以上保證了良好的質子傳導率。它的成本低，有良好的應用價值和廣闊的市場前景。
