论文总字数：13581字

摘 要

随着经济的不断发展，环境污染愈发严重，在清洁能源技术方面，质子交换膜燃料电池的研发逐渐被人们重视。其新能源汽车等方面有着越来越多的应用。但质子交换膜对材料的要求较高，因此研究新的质子导体材料逐渐成为热点。本文通过二次插层的方法，用强极性小分子DMSO插入高岭土层间，再用大分子聚合物聚氧化乙烯替代层中的DMSO，最后掺入磷酸制备出高岭土基质子导体材料（K-PEO-H₃PO₄），通过X-射线衍射分析发现在1.004nm处出现了新的衍射峰，傅里叶红外光谱发现大分子聚合物PEO已经完全取代了高岭土层间的DMSO。热重分析发现随着插层反应的进行，材料的质量损失随温度曲线也发生着变化，通过将样品压片测试其导电性，发现电导率由高岭土原土的3*10^-9S/cm上升到3.8*10^-6S/cm。

关键词： 高岭土 插层作用 聚合物 高岭土插层复合物 质子导体

Preparation and Conductive Properties of Kaolin Matrix Conductors

Abstract

With the continuous development of economy, environmental pollution has become more and more serious. In the field of clean energy technology, the research and development of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has been paid more and more attention. Its new energy vehicles have more and more applications. However, proton exchange membranes have high requirements for materials, so the research of new proton conductor materials has gradually become a hotspot. In this paper, the strong polar small molecule DMSO was inserted into the kaolin interlayer by the second intercalation method, and then the macromolecule polymer polyethylene oxide was used to replace the DMSO in the layer. Finally, the kaolin matrix sub-conductor material (K-PEO-H₃PO₄) was prepared by incorporating phosphoric acid. By X-ray diffraction analysis, a new diffraction peak was found at 1.004 nm. Fourier infrared spectroscopy showed that the macromolecule polymer PEO had been prepared. DMSO between kaolin layers has been completely replaced. Thermogravimetric analysis showed that the mass loss of the material changed with the temperature curve as the intercalation reaction proceeded. The conductivity of the sample was tested by pressing it into sheets. It was found that the conductivity increased from 3*10^-9S/cm to 3.8*10^-6S/cm.

Key Words：kaolin; intercalation; polymer; kaolin intercalated composite;proton conductor

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 背景介绍 1

1.1高岭土 1

1.1.1高岭土的结构特征 1

1.1.2高岭土的表面改性 1

1.1.3高岭土的插层改性 2

1.1.4高岭土插层复合物研究进展 3

1.1.5高岭土的应用 3

1.2质子导体 3

1.2.1质子交换膜燃料电池 4

1.2.2 质子交换膜材料 4

1.3高岭土基质子导体的制备 4

第二章 实验部分 5

2.1实验原料和仪器 5

2.2实验过程 5

2.2.1 K-DMSO的制备 5

2.2.2 K-PEO的制备 5

2.2.3 K-PEO-H₃PO₄的制备 6

2.2.4高岭土稳定性试验 6

2.2.5压片 6

2.2.6膜制备 6

第三章 结果与讨论 7

3.1粉末X射线衍射（PXRD）分析 7

3.2傅里叶红外光谱（FTIR）分析 10

3.3热重（TG）分析 12

3.4导电性测试 13

3.5膜测试 15

第四章 结论与展望 16

3.1结论 16

3.2展望 16

致谢 18

参考文献 19

第一章 背景介绍

1.1高岭土

高岭土是非常重要的非金属矿产资源。中国是世界上第一个发现高岭土和应用高岭土的国家，从元代开始，祖先就开始用高岭土制作瓷器，因此有了著名的景德镇瓷器，从而名扬天下，如今其国际通用学名——kaolin便是源于江西景德镇高岭村。中国的高岭土矿产资源丰富，总量位居世界前列。目前，全国有700多个高岭土矿。已经确定了200多个高岭土矿，包括三种硬质，软质和砂质高岭土^[1-3]。然而高岭土并没有发挥它应有的的价值，在国内，大部分生产高岭土的企业都比较小而且质量相对不高^[4]。很多科研人员在开发高岭土方面做了大量工作，现在已在造纸、耐火材料、橡胶、塑料、油漆以及陶瓷中广泛应用。因此，如何根据实际应用需要，用各种方法改变高岭土的理化性质，从而满足当下新材料、新工艺和的需要已经成为当下热门课题。

1.1.1高岭土的结构特征

高岭土主要是由小于2微米的微小片状晶体组成，其理想化学式为Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈，为1:1型层状二八面体的硅酸盐矿物^[5-6]，其中的结晶水主要为-OH。层与层之间通过四面体的氧原子和八面体的羟基形成范德华力或氢键的连接，这也导致了高岭土结构较为稳定且只有少数分子能够插入高岭土层间。刚性强，在插层反应过程中很难发生形变，这利于客体分子能够在高岭土层间排列有序^[7]。

1.1.2表面改性

表面改性是指通过各种方法的处理，来改变高岭土表面如晶体表面吸附性、浸润性等性质^[8]。

1）物理改性

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