燃料電池技術(shù)由于其高效的能量轉(zhuǎn)換效率和清潔的運(yùn)行環(huán)境,近年來(lái)吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界極大的研究興趣。根據(jù)其運(yùn)行環(huán)境,可將燃料電池分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC,運(yùn)行環(huán)境為酸性)和陰離子交換膜燃料電池(AEMFC,運(yùn)行環(huán)境為堿性)。相比于PEMFC,AEMFC具有更快的陰極氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué),并且能夠使用非鉑系金屬催化劑(比如鎳,鐵等),是目前最有前景的商業(yè)化燃料電池技術(shù)之一。作為AEMFC的重要部件之一,陰離子交換膜(AEM)起到隔絕燃料,并傳導(dǎo)水分子和陰離子(主要是OH-)的作用。然而,AEM發(fā)展到如今,仍有兩個(gè)至關(guān)重要的科學(xué)問(wèn)題沒(méi)有解決。一是氫氧根離子的電導(dǎo)率。由于OH-的體積比H+大很多,導(dǎo)致自由狀態(tài)下前者固有的離子遷移率比后者大很多,導(dǎo)致AEM的OH-電導(dǎo)率很難與PEM的質(zhì)子電導(dǎo)率相比較。二是功能基團(tuán)的化學(xué)穩(wěn)定性。AEM中的功能基團(tuán)帶正電荷,具有很強(qiáng)的親電性,在堿性環(huán)境下很容易受到親核性O(shè)H-離子的進(jìn)攻而發(fā)生降解。為了優(yōu)化AEM的離子傳導(dǎo)性和化學(xué)穩(wěn)定性,我們對(duì)聚合物的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修飾,具體的研究工作如下:(1)我們?cè)贏EM連接兩個(gè)咪唑的側(cè)鏈中引入兩個(gè)醚間隔鍵,利用原子力顯微鏡技術(shù)和動(dòng)力學(xué)模擬證明醚間隔基有利于離子通道的形成,并且其獨(dú)特的親水性對(duì)離子通道內(nèi)的水分子和水和氫氧根離子的傳導(dǎo)都有促進(jìn)作用�；谝陨蟽�(yōu)點(diǎn),側(cè)鏈含醚的陰離子交換膜表現(xiàn)出更高的電導(dǎo)率,并且其單電池能量密度比對(duì)照組高了將近一倍。(2)咪唑功能基團(tuán)由于其獨(dú)特的五元環(huán)分子結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的分子可修飾性。我們?cè)谶溥颦h(huán)上修飾了不同數(shù)目的甲基取代基,并將不同的咪唑基團(tuán)通過(guò)門(mén)秀金反應(yīng)接枝到溴化后的2,6-二甲基聚苯醚主鏈上制備不同功能基團(tuán)的AEM。通過(guò)原位核磁監(jiān)測(cè)聚合物在堿性條件下降解過(guò)程,我們發(fā)現(xiàn)咪唑環(huán)上C2-.C4-和C5-上的甲基能夠減緩咪唑環(huán)的去質(zhì)子化反應(yīng)從而提升功能基團(tuán)的堿穩(wěn)定性。最終,1,2,4,5-四甲基咪唑功能化AEM的單電池能量密度隨溫度升高而穩(wěn)定提升,并且在80 ℃時(shí)達(dá)到了340 mW cm-2。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TM911.4;TQ425.236
【部分圖文】：

圖１．１．１燃料電池從誕生至２１世紀(jì)初期的重要發(fā)展里程碑逡逑轉(zhuǎn)化成電能［２］。其設(shè)計(jì)理念由Ｓｉｒ邋Ｗｉｌｌｉａｍ邋Ｇｒｏｖｅ在１８３９年首次提出，經(jīng)過(guò)一百逡逑多年的研究發(fā)展，如今在軍工、日常生產(chǎn)生活等方面有重要的應(yīng)用［３］。圖１．１．１逡逑總結(jié)了邋ＦＣ發(fā)展歷史中的幾個(gè)重要過(guò)程。逡逑根據(jù)所用電解質(zhì)材料以及相關(guān)操作條件的不同，ＦＣ通常可分為五種類(lèi)型：逡逑ａ磷酸燃料電池（ＰＡＦＣ）。ＰＡＦＣ在很多國(guó)家是商業(yè)化最普遍的燃料電池

極材料和陰極材料。兩種電極材料通過(guò)電子絕緣但離子傳導(dǎo)性良好的聚合物膜電逡逑解質(zhì)分隔開(kāi)，這三個(gè)部件的集合體通常被稱(chēng)作膜電極。ＰＥＭＦＣ根據(jù)其工作機(jī)理逡逑可分為酸電池和堿電池。圖１．邋２．邋１介紹了典型酸性和堿性ＰＥＭＦＣ的工作原理。逡逑ＰＥＭＦＣ邐ＡＥＭＦＣ逡逑Ｈ２Ａｉｒ邋州２＾邋＾＾ＬｉＡｉｒ邋＋Ｈ２０逡逑Ｈ２邐ＰＥＭ邋Ａｉｒ＋Ｈ２０邋Ｈ２＋Ｈ２０邋ＡＥＭ邐Ａｉｒ逡逑ｆ邐邐邐逡逑？邋Ｈ４邐＾ｔ－Ｍ：邋0邐ＯＨ－逡逑Ｖ，邐邋ｖ逡逑圖１．２．１酸性（左邊）和堿性（堿性）ＰＥＭＦＣ技術(shù)工作原理。逡逑３逡逑

極材料和陰極材料。兩種電極材料通過(guò)電子絕緣但離子傳導(dǎo)性良好的聚合物膜電逡逑解質(zhì)分隔開(kāi)，這三個(gè)部件的集合體通常被稱(chēng)作膜電極。ＰＥＭＦＣ根據(jù)其工作機(jī)理逡逑可分為酸電池和堿電池。圖１．邋２．邋１介紹了典型酸性和堿性ＰＥＭＦＣ的工作原理。逡逑ＰＥＭＦＣ邐ＡＥＭＦＣ逡逑Ｈ２Ａｉｒ邋州２＾邋＾＾ＬｉＡｉｒ邋＋Ｈ２０逡逑Ｈ２邐ＰＥＭ邋Ａｉｒ＋Ｈ２０邋Ｈ２＋Ｈ２０邋ＡＥＭ邐Ａｉｒ逡逑ｆ邐邐邐逡逑？邋Ｈ４邐＾ｔ－Ｍ：邋0邐ＯＨ－逡逑Ｖ，邐邋ｖ逡逑圖１．２．１酸性（左邊）和堿性（堿性）ＰＥＭＦＣ技術(shù)工作原理。逡逑３逡逑

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本文編號(hào)：2811206