TMAH改性PVDF一步接枝PSBMA质子交换膜的制备与性能

张嘉汉 郭贵宝 安胜利 郝燕 张董 闫凯波

引用本文: 张嘉汉, 郭贵宝, 安胜利, 郝燕, 张董, 闫凯波. TMAH改性PVDF一步接枝PSBMA质子交换膜的制备与性能[J]. 物理化学学报, 2015, 31(10): 1905-1913. doi: 10.3866/PKU.WHXB201508261 shu
Citation:  ZHANG Jia-Han, GUO Gui-Bao, AN Sheng-Li, HAO Yan, ZHANG Dong, YAN Kai-Bo. Synthesis and Properties of Proton Exchange Membranes via Single-Step Grafting PSBMA onto PVDF Modified by TMAH[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2015, 31(10): 1905-1913. doi: 10.3866/PKU.WHXB201508261 shu

TMAH改性PVDF一步接枝PSBMA质子交换膜的制备与性能

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51474133) (51474133)

    内蒙古自治区自然科学基金(2013MS0210) (2013MS0210)

    内蒙古科技大学大学生科技创新基金(2014073)资助项目 (2014073)

摘要:

使用四甲基氢氧化铵(TMAH)液相改性聚偏氟乙烯(PVDF), 以过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂, 一步将磺酸基甲基丙烯酸甲酯(SBMA)接枝到改性的PVDF上, 制备了聚偏氟乙烯接枝聚磺酸基甲基丙烯酸甲酯(PVDFg-PSBMA)质子交换膜. 利用傅里叶变换红外(FTIR)光谱和扫描电镜-X射线能谱(SEM-EDX)分析了膜的结构、形貌及硫元素分布情况. 同时研究了不同质量分数的TMAH甲醇溶液对PVDF-g-PSBMA膜电导率和甲醇渗透率的影响. 结果表明, TMAH使PVDF脱去HF产生碳碳双键且SBMA成功接枝到改性的PVDF骨架上, 硫元素在膜内外分布均匀; PVDF-g-PSBMA膜的电导率和甲醇渗透率随TMAH在甲醇中质量分数的增多而增大,TMAH质量分数为20%的膜的质子电导率在20 ℃下达到0.0892 S·cm-1, 常温下的甲醇渗透率为4.04 × 10-7cm2·s-1; 热重分析(TGA)表明, 膜的热稳定性良好, 耐热温度高达270 ℃. 该膜作为电解质材料的直接甲醇燃料电池(DMFC)的最大功率密度达到17.06 mW·cm-2.

English

    1. [1]

      (1) Peighambardoust, S. J.; Rowshanzamir, S.; Amjadi, M. Int. J. Hydrog. Energy 2010, 35, 9349. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.05.017

      (1) Peighambardoust, S. J.; Rowshanzamir, S.; Amjadi, M. Int. J. Hydrog. Energy 2010, 35, 9349. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.05.017

    2. [2]

      (2) Dutta, K.; Das, S.; Kumar, P.; Kundu, P. P. Appl. Energ. 2014, 118, 183. doi: 10.1016/j.apenergy.2013.12.029(2) Dutta, K.; Das, S.; Kumar, P.; Kundu, P. P. Appl. Energ. 2014, 118, 183. doi: 10.1016/j.apenergy.2013.12.029

    3. [3]

      (3) Kim, Y. W.; Lee, D. K.; Lee, K. J.; Kim, J. H. Eur. Polym. J. 2008, 44, 932. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2007.12.020(3) Kim, Y. W.; Lee, D. K.; Lee, K. J.; Kim, J. H. Eur. Polym. J. 2008, 44, 932. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2007.12.020

    4. [4]

      (4) Lufrano, F.; Baglio, V.; Staiti, P.; Antonucci, V.; Arico, A. S. J. Power Sources 2013, 243, 519. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.05.180(4) Lufrano, F.; Baglio, V.; Staiti, P.; Antonucci, V.; Arico, A. S. J. Power Sources 2013, 243, 519. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.05.180

    5. [5]

      (5) Saarinen, V.; Kreuer, K. D.; Schuster, M.; Merkle, R.; Maier, J. Solid State Ionics 2007, 178, 533. doi: 10.1016/j.ssi.2006.12.001(5) Saarinen, V.; Kreuer, K. D.; Schuster, M.; Merkle, R.; Maier, J. Solid State Ionics 2007, 178, 533. doi: 10.1016/j.ssi.2006.12.001

    6. [6]

      (6) Pandey, J.; Shukla, A. Solid State Ionics 2014, 262, 811. doi: 10.1016/j.ssi.2013.10.029(6) Pandey, J.; Shukla, A. Solid State Ionics 2014, 262, 811. doi: 10.1016/j.ssi.2013.10.029

    7. [7]

      (7) Liu, F.; Hashim, N. A.; Liu, Y. T.; Abed, M. R. M.; Li, K. Solid State Ionics 2011, 375, 1. doi: 10.1016/j.memsci.2011.03.014(7) Liu, F.; Hashim, N. A.; Liu, Y. T.; Abed, M. R. M.; Li, K. Solid State Ionics 2011, 375, 1. doi: 10.1016/j.memsci.2011.03.014

    8. [8]

      (8) Nasef, M. M.; Saidi, H.; Dahlan, K. Z. M. J. Membr. Sci. 2009, 339, 115. doi: 10.1016/j.memsci.2009.04.037(8) Nasef, M. M.; Saidi, H.; Dahlan, K. Z. M. J. Membr. Sci. 2009, 339, 115. doi: 10.1016/j.memsci.2009.04.037

    9. [9]

      (9) Saarinen, V.; Himanen, O.; Kallio, T.; Sundholm, G.; Kontturi, K. J. Power Sources 2007, 163, 768. doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.09.016(9) Saarinen, V.; Himanen, O.; Kallio, T.; Sundholm, G.; Kontturi, K. J. Power Sources 2007, 163, 768. doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.09.016

    10. [10]

      (10) Qiu, X. P.; Li, W. Q.; Zhang, S. C.; Liang, H. Y.; Zhu, W. T. J. Electrochem. Soc. 2003, 150 (7), A917.(10) Qiu, X. P.; Li, W. Q.; Zhang, S. C.; Liang, H. Y.; Zhu, W. T. J. Electrochem. Soc. 2003, 150 (7), A917.

    11. [11]

      (11) Kang, G. D.; Cao, Y. M. J. Membr. Sci. 2014, 463, 145. doi: 10.1016/j.memsci.2014.03.055(11) Kang, G. D.; Cao, Y. M. J. Membr. Sci. 2014, 463, 145. doi: 10.1016/j.memsci.2014.03.055

    12. [12]

      (12) Shen, J.; Qiu, X. P.; Li, Y.; Zhu, W. T.; Chen, L. Q. Acta Chim. Sin. 2005, 63 (13), 1187. [沈娟, 邱新平, 李勇, 朱文涛, 陈立泉. 化学学报, 2005, 63 (13), 1187.](12) Shen, J.; Qiu, X. P.; Li, Y.; Zhu, W. T.; Chen, L. Q. Acta Chim. Sin. 2005, 63 (13), 1187. [沈娟, 邱新平, 李勇, 朱文涛, 陈立泉. 化学学报, 2005, 63 (13), 1187.]

    13. [13]

      (13) Zhang, S. C.; Shen, J.; Qiu, X. P.; Weng, D. S.; Zhu, W. T. J. Power Sources 2006, 153, 234. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.05.020(13) Zhang, S. C.; Shen, J.; Qiu, X. P.; Weng, D. S.; Zhu, W. T. J. Power Sources 2006, 153, 234. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.05.020

    14. [14]

      (14) Li, W. Q.; Qiu, X. P. Journal of Functional Polymers 2004, 17 (3), 452. [李文琼, 邱新平. 功能高分子学报, 2004, 17 (3), 452.](14) Li, W. Q.; Qiu, X. P. Journal of Functional Polymers 2004, 17 (3), 452. [李文琼, 邱新平. 功能高分子学报, 2004, 17 (3), 452.]

    15. [15]

      (15) lcuk, S.; Muftuoglu, A. E.; Celik, S. U.; Bozkurt, A. J. Polym. Res. 2013, 20 (144), 1. doi: 10.1007/s10965-013-0144-2(15) lcuk, S.; Muftuoglu, A. E.; Celik, S. U.; Bozkurt, A. J. Polym. Res. 2013, 20 (144), 1. doi: 10.1007/s10965-013-0144-2

    16. [16]

      (16) Hong, J.; Yang, S. Y.; Zhang, X. Q.; Lu, W.; Zhang, J. Y. Acta Chim. Sin. 1997, 55, 817. [洪洁, 杨士勇, 张旭庆, 陆伟, 张景云. 化学学报, 1997, 55, 817.](16) Hong, J.; Yang, S. Y.; Zhang, X. Q.; Lu, W.; Zhang, J. Y. Acta Chim. Sin. 1997, 55, 817. [洪洁, 杨士勇, 张旭庆, 陆伟, 张景云. 化学学报, 1997, 55, 817.]

    17. [17]

      (17) Guo, G. B.; Kou, S. S.; An, S. L. Polymer Materials Science and Engineering 2010, 26 (8), 112. [郭贵宝, 寇沙沙, 安胜利. 高分子材料科学与工程, 2010, 26 (8), 112.](17) Guo, G. B.; Kou, S. S.; An, S. L. Polymer Materials Science and Engineering 2010, 26 (8), 112. [郭贵宝, 寇沙沙, 安胜利. 高分子材料科学与工程, 2010, 26 (8), 112.]

    18. [18]

      (18) Yu, S. C.; Chen, L.; Chen, Y. W.; Tong, Y. F. Appl. Surf. Sci. 2012, 258, 4983. doi: 10.1016/j.apsusc.2012.01.146(18) Yu, S. C.; Chen, L.; Chen, Y. W.; Tong, Y. F. Appl. Surf. Sci. 2012, 258, 4983. doi: 10.1016/j.apsusc.2012.01.146

    19. [19]

      (19) Wang, C. W.; Liang, C. J. Chem. Eng. J. 2014, 254, 472. doi: 10.1016/j.cej.2014.05.116(19) Wang, C. W.; Liang, C. J. Chem. Eng. J. 2014, 254, 472. doi: 10.1016/j.cej.2014.05.116

    20. [20]

      (20) Xing, Q. Y.; Pei, W. W.; Xu, R. Q.; Pei, J. Basic Organic Chemistry, 3rd ed.; Higher Education Press: Beijing, 2005; 1st Vol., pp 290-291. [刑其毅, 裴伟伟, 徐瑞秋, 裴坚. 基础有机化学. 第三版, 上册. 北京: 高等教育出版社, 2005: 290-291.](20) Xing, Q. Y.; Pei, W. W.; Xu, R. Q.; Pei, J. Basic Organic Chemistry, 3rd ed.; Higher Education Press: Beijing, 2005; 1st Vol., pp 290-291. [刑其毅, 裴伟伟, 徐瑞秋, 裴坚. 基础有机化学. 第三版, 上册. 北京: 高等教育出版社, 2005: 290-291.]

    21. [21]

      (21) Lalani, R.; Liu, L. Y. Polym. 2011, 52, 5344. doi: 10.1016/j.polymer.2011.09.015(21) Lalani, R.; Liu, L. Y. Polym. 2011, 52, 5344. doi: 10.1016/j.polymer.2011.09.015

    22. [22]

      (22) Hu, Z. W. Modification of Montmorillonite and Intercalated Proton Exchange Membrane. Ph. D. Dissertation, Dalian University of Technology, Dalian, 2013. [胡正文. 蒙脱土有机化及其插层质子交换膜的研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2013.](22) Hu, Z. W. Modification of Montmorillonite and Intercalated Proton Exchange Membrane. Ph. D. Dissertation, Dalian University of Technology, Dalian, 2013. [胡正文. 蒙脱土有机化及其插层质子交换膜的研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2013.]

    23. [23]

      (23) Guo, G. B.; An, S. L.; Kou, S. S. Acta Phys. -Chim.Sin. 2009, 25, 2161. [郭贵宝, 安胜利, 寇沙沙. 物理化学学报, 2009, 25, 2161.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20091018(23) Guo, G. B.; An, S. L.; Kou, S. S. Acta Phys. -Chim.Sin. 2009, 25, 2161. [郭贵宝, 安胜利, 寇沙沙. 物理化学学报, 2009, 25, 2161.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20091018

    24. [24]

      (24) Li, J. H.; Li, M. Z.; Miao, J.; Wang, J. B.; Shao, X. S.; Zhang, Q. Q. Appl. Energ. 2012, 258, 6398. doi: 10.1016/j.apsusc.2012.03.049(24) Li, J. H.; Li, M. Z.; Miao, J.; Wang, J. B.; Shao, X. S.; Zhang, Q. Q. Appl. Energ. 2012, 258, 6398. doi: 10.1016/j.apsusc.2012.03.049

    25. [25]

      (25) Chiang, Y. C.; Chang, Y.; Higuchi, A.; Chen, W. Y.; Ruaan, R. C. J. Membr. Sci. 2009, 339, 151. doi: 10.1016/j.memsci.2009.04.044(25) Chiang, Y. C.; Chang, Y.; Higuchi, A.; Chen, W. Y.; Ruaan, R. C. J. Membr. Sci. 2009, 339, 151. doi: 10.1016/j.memsci.2009.04.044

    26. [26]

      (26) Zhao, Y. H.; Wee, K. H.; Bai, R. J. Membr. Sci. 2010, 362, 326. doi: doi:10.1016/j.memsci.2010.06.037(26) Zhao, Y. H.; Wee, K. H.; Bai, R. J. Membr. Sci. 2010, 362, 326. doi: doi:10.1016/j.memsci.2010.06.037

    27. [27]

      (27) Ross, G. J.; Watts, J. F.; Hill, M. P.; Morrissey, P. Polymer 2000, 41, 1685.(27) Ross, G. J.; Watts, J. F.; Hill, M. P.; Morrissey, P. Polymer 2000, 41, 1685.

    28. [28]

      (28) Brewis, D. M.; Mathieson, I.; Sutherland, I.; Cayless, R. A.; Dahm, R. H. Int. J. Adhesion Adhesives 1996, 16(2), 87.(28) Brewis, D. M.; Mathieson, I.; Sutherland, I.; Cayless, R. A.; Dahm, R. H. Int. J. Adhesion Adhesives 1996, 16(2), 87.

    29. [29]

      (29) Kumar, P.; Dutta, K.; Das, S.; Kundu, P. P. Appl. Energ. 2014, 123, 66. doi: 10.1016/j.apenergy.2014.02.060(29) Kumar, P.; Dutta, K.; Das, S.; Kundu, P. P. Appl. Energ. 2014, 123, 66. doi: 10.1016/j.apenergy.2014.02.060

    30. [30]

      (30) Tricoli, V.; Carretta, N.; Bartolozzi, M. J. Electrochem. Soc. 2000, 147, 1286.(30) Tricoli, V.; Carretta, N.; Bartolozzi, M. J. Electrochem. Soc. 2000, 147, 1286.

    31. [31]

      (31) Kreuer, K. D. J. Membr. Sci. 2001, 185, 29.(31) Kreuer, K. D. J. Membr. Sci. 2001, 185, 29.

    32. [32]

      (32) Qiao, J. L.; Fu, J.; Liu, L. L.; Liu, Y. Y.; Sheng, J. W. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 4580. doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.06.038(32) Qiao, J. L.; Fu, J.; Liu, L. L.; Liu, Y. Y.; Sheng, J. W. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 4580. doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.06.038

    33. [33]

      (33) Pandey, J.; Shukla, A. Solid State Ionics 2014, 262, 811. doi: 10.1016/j.ssi.2013.10.029(33) Pandey, J.; Shukla, A. Solid State Ionics 2014, 262, 811. doi: 10.1016/j.ssi.2013.10.029

    34. [34]

      (34) Liu, J. G.; Zhao, T. S.; Liang, Z. X.; Chen, R. J. Power Sources 2006, 153, 61. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.03.190(34) Liu, J. G.; Zhao, T. S.; Liang, Z. X.; Chen, R. J. Power Sources 2006, 153, 61. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.03.190

    35. [35]

      (35) Ban, H.; Guo, G. B.; Zhang, F. Polymer Materials Science and Engineering 2014, 30 (11), 151. [班辉, 郭贵宝, 张芳. 高分子材料科学与工程, 2014, 30 (11), 151.]

      (35) Ban, H.; Guo, G. B.; Zhang, F. Polymer Materials Science and Engineering 2014, 30 (11), 151. [班辉, 郭贵宝, 张芳. 高分子材料科学与工程, 2014, 30 (11), 151.]

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  137
  • 文章访问数:  388
  • HTML全文浏览量:  5
文章相关
  • 发布日期:  2015-10-10
  • 收稿日期:  2015-05-22
  • 网络出版日期:  2015-08-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章