摘 要

本论文采用氨基三甲叉膦酸（ATMP）作为质子传导介质，以2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷（EHTMS）为前驱体，3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)为辅助改性剂，二甲基亚砜（DMSO）作为反应体系溶剂，通过开环反应和酸碱中和反应原理，借助溶胶凝胶工艺，制备酸碱型膦酸基质子交换膜。本论文期望通过调整前后添加的EHTMS和APTES的比例，制得的酸碱碱性质子交换膜既能使磷酸基团以化学键的形式接到硅氧烷骨架上，缓解了磷酸基团在水中的流失，又能通过酸和碱的混合形成柔性的离子网络结构，同时保证质子膜的质子电导率和物理机械性能。

FT-IR分析表明，ATMP上的膦酸基团与APTES上的氨基发生了酸碱中和反应，成功形成了酸碱离子对，同时氨基硅氧烷成功发生了水解反应，形成了Si-O-Si网络结构。TG-DSC热分析表明，本论文制备出的酸碱型质子膜具有良好的热稳定性，能在200℃下稳定运行。耐水解性、吸水率、溶胀度及测试表明，随着APTES添加比例的提高，形成了柔性的离子交联网络，使尺寸稳定性变小，耐水解性有所下降但最大不超过10%，耐水解性能较优良。离子交换容量测试（IEC）理论值与实际值差距较大，这是由于一部分膦羟基参与了开环反应，实际值小于理论值。浸泡24小时除去游离磷酸后，IEC值随APTES添加量的提高而增加，说明氨基硅烷的加入形成了氢键网络，可以有效减少磷酸基团的流失。

关键词：酸碱型质子交换膜；氨基硅烷；溶胶-凝胶法

Abstract

In this essay, we prepared acid-base proton exchange membranes modifying membranes by using amino trimethylenephosphonic acid (ATMP) as proton carrier, epoxycyclohexylethyltrimethoxysilane(EHTMS) as precursor, aminopropyltriethoxysilane (APTES) as modifier and DMSO as reaction solvent through the open loop reaction and acid base neutralization reaction principle, with the aid of sol gel process. The paper expects that acid base proton exchange membrane, which makes the phosphoric acid group receive to Silicone skeleton in the form of chemical bond to alleviate the loss of phosphate groups in the water, and forms flexible ion network structure through mixture of acid and base to ensure that the membrane proton proton conductivity and mechanical properties as the premise, were prepared by adjusting the ratio of EHTMS and APTES before and after adding.

FT-IR analysis indicated that ATMP phosphonic acid groups and APTES amino acid-base neutralization reaction successfully formed acid base ion pair, and at the same time amino siloxane conducted hydrolysis reaction, forming Si-O-Si network structure. TG-DSC thermal analysis showed that the acid base proton membrane prepared in this paper has good thermal stability and can be operated stably below 200℃. Test about resistance to hydrolysis, water absorption and swelling degree showed that, with increase of adding rate of APTES it formed a flexible ionically cross-linked network, and the size stability become small. Hydrolysis resistance decreased but the maximum did not exceed 10%, so hydrolysis resistance performance is excellent. Ion exchange capacity test (IEC) has a large gap between theoretical and practical values, which is due to the fact that some of the hydroxyl groups are involved in the ring opening reaction, and the actual value is less than the theoretical value. After soaking for 24 hours to remove free phosphoric acid, the IEC value increases with the increase of APTES content, which showed that the addition of amino silane formed a hydrogen bond network that could effectively reduce the mass loss.

Keywords: acid base proton exchange membrane; amino silane; sol-gel method

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2燃料电池 2

1.3质子交换膜燃料电池 3

1.3.1质子交换膜燃料电池结构及组成 3

1.3.2质子交换膜燃料电池对质子交换膜材料的基本要求 3

1.4质子交换膜的研究进展与现状 4

1.4.1 Nafion膜的改性 5

1.4.2 有机—无机杂化膜 6

1.5本文研究目的和内容 7

第二章 酸碱型膦酸基质子交换膜的制备与研究 8

2.1 前言 8

2.2 实验部分 8

2.2.1实验试剂与仪器 8

2.2.2 实验原理 9

2.2.3 实验步骤 9

2.2.4 性能测试 10

2.3 结果与讨论 11

2.3.1 结构分析 12

2.3.2 热性能分析 13

2.3.3 吸水率和溶胀度分析 14

2.3.4 耐水解性能分析 15

2.3.5 离子交换容量分析 16

第三章 结论 17

参考文献 18

致谢 20

第一章 绪论

1.1引言

如今社会，经济的发展要靠能源，正是有了能源工业的发展才有了今天的现代文明，我们的社会也经历从工业革命开始的蒸汽机到后来的汽轮机，再到后来的高压汽轮机以及现在最常用的内燃机、燃气轮机，每一次对能源使用的革新都会对经济发展产生前所未有的巨大推动力。

然而随着现代社会的不断发展，传统利用能源的方式也逐渐暴露出了两大弊端。首先化石燃料中储存的化学能必须要转化成热能后才能被人们利用，才能转化成我们想要的机械能或者电能，然而受卡诺循环的限制以及现有材料的一些不足，能转化成我们所需要的机械能或者电能的效率只有33%~35%左右，这势必会造成能源的极大浪费，毕竟化石燃料属于不可再生能源。其次化石燃料在使用的过程中会产生三废，化石燃料的使用会给人类生活环境造成了巨大的污染，提高与改善人类生活环境已经成为目前我们最为关心的问题之一。