新型共混交联磺化聚醚醚酮/部分氟化磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备与表征

doi:10.7503/cjcu20200759

高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (6): 2002.doi: 10.7503/cjcu20200759

新型共混交联磺化聚醚醚酮/部分氟化磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备与表征

蒲阳阳, 宁聪, 陆瑶, 刘莉莉, 李娜, 胡朝霞(), 陈守文()

南京理工大学环境与生物工程学院, 南京 210094

收稿日期:2020-10-19 出版日期:2021-06-10 发布日期:2021-06-08
通讯作者: 胡朝霞 E-mail:huzhaoxia@njust.edu.cn;chensw@njust.edu.cn
作者简介:陈守文, 男, 博士, 教授, 主要从事环境功能材料方面的研究. E-mail: chensw@njust.edu.cn
基金资助:
中央高校基本科研业务费专项资金(30920021114)

Preparation and Characterizations of Cross-linked Sulfonated Poly（ether ether ketone）/Partially Fluorinated Sulfonated Poly（aryl ether sulfone） Blend Membranes

PU Yangyang, NING Cong, LU Yao, LIU Lili, LI Na, HU Zhaoxia(), CHEN Shouwen()

School of Environmental and Biological Engineering，Nanjing University of Science & Technology，Nanjing 210094，China

Received:2020-10-19 Online:2021-06-10 Published:2021-06-08
Contact: HU Zhaoxia E-mail:huzhaoxia@njust.edu.cn;chensw@njust.edu.cn
Supported by:
the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(30920021114)

摘要/Abstract

摘要：

制备了基于磺化聚醚醚酮(SPEEK)/部分氟化磺化聚芳醚砜(SPFAES)的共混交联型质子交换膜(CMB), 研究了其吸水率、尺寸变化、力学性能、热性能、质子电导率、化学稳定性及电池性能等. 通过在溶液浇铸过程中加入脱水剂诱导高温脱水反应, 在共混体系内构建了交联结构. 结果表明, 由于SPEEK与SPFAES之间良好的相容性、分散性和聚合物链的重排及交联作用, CMB膜在干态下均表现出出色的力学强度, 且物化稳定性得到大幅提升. 在低离子交换容量(1.21~1.51 mmol/g)条件下, CMB膜的质子电导率达到122~219 mS/cm(80 ℃), 在氢氧单电池中, CMB4膜的最大功率密度达到530.5 mW/cm²(80 ℃).

关键词: 共混交联, 磺化聚醚醚酮, 部分氟化磺化聚芳醚砜, 质子交换膜, 燃料电池

Abstract:

A type of blend and cross-linked proton exchange membrane（CMB） based on sulfonated poly（ether ether ketone）（SPEEK）/partially fluorinated sulfonated poly（aryl ether sulfone）（SPFAES） were prepared， and the properties including water uptake， swelling ratio， mechanical properties， thermal properties， proton conductivity， chemical stability and fuel cell performances of the CMBs were evaluated. The cross- linking structure was constructed in the blend system by adding dehydrating agent during solution casting. The results indicate that the CMB membranes all exhibit excellent mechanical strength in dry state and greatly improved physicochemcial stability due to the good compatibility and dispersion between SPEEK and SPFAES， and the rearrangement and cross-linking of polymer chains. With low ion exchange capacity（1.21—1.51 mmol/g）， the proton conductivities of CMB membranes reach 122—219 mS/cm（80 ℃）， and the maximum power density of the CMB4 membrane achieves 530.5 mW/cm²（80 ℃） in a single hydrogen-oxygen fuel cell.

Key words: Blending and cross-linking, Sulfonated poly（ether ether ketone）, Partially fluorinated sulfonated poly（aryl ether sulfone）, Proton exchange membrane, Fuel cell

中图分类号:

O631

TrendMD:

蒲阳阳, 宁聪, 陆瑶, 刘莉莉, 李娜, 胡朝霞, 陈守文. 新型共混交联磺化聚醚醚酮/部分氟化磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备与表征. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2002.

PU Yangyang, NING Cong, LU Yao, LIU Lili, LI Na, HU Zhaoxia, CHEN Shouwen. Preparation and Characterizations of Cross-linked Sulfonated Poly（ether ether ketone）/Partially Fluorinated Sulfonated Poly（aryl ether sulfone） Blend Membranes. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 2002.

图/表 8

Table 1 Basic physicochemical properties of the SPEEK, SPFAES and CMB membranes

Membrane	IEC^a/(mmol·g^-1)	SR^b(%)	WU^b(%)	σ^b/(mS·cm^-1)	R_w^c(%)	R_w^d(%)
SPEEK	1.88	Dissolved	Dissolved	Dissolved	0	0
SPFAES	1.28	5.3	30	141	99.2	96.5
CMB1	1.21	9.2	42	122	95.5	95.5
CMB2	1.24	14.4	60	125	88.5	95.3
CMB3	1.44	17.6	65	192	82.0	93.8
CMB4	1.51	21.3	121	219	76.2	91.2
Nafion 112	0.90	12.0	31	179	—	—
SPEEK/PBa?10%^[9]	0.87	89.2^e	96.4	42	—	—

Scheme 1 Schematic illustration of cross?linked miscible blend(CMB) membranes

Fig.1 FTIR spectra(A) and XRD patterns(B) of PEEK, SPEEK, SPFAES and CMB membranes

Fig.2 TGA and DTG curves of the SPEEK, SPFAES and CMB membranes

Fig.3 Mechanical strain?stress curves of SPEEK, SPFAES and CMB membranesa.SPEEK; b. SPFAES; c. CMB1; d. CMB2; e. CMB3; f. CMB4.

Fig.4 Water uptake(A) and swelling ratio(B) of the CMB membranes

Fig.5 Proton conductivity at different temperatures(A), water uptake and proton conductivity vs. IEC of the CMB membranes at 60 ℃(B)

Fig.6 Single fuel cell performance of CMB4 and Nafion 112 at 80 ℃ under 100% RH

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新型共混交联磺化聚醚醚酮/部分氟化磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备与表征

Preparation and Characterizations of Cross-linked Sulfonated Poly（ether ether ketone）/Partially Fluorinated Sulfonated Poly（aryl ether sulfone） Blend Membranes

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