质子交换膜燃料电池(PEMFCs)将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因具有能源转化效率高、环境友好等优点而受到广泛关注。质子交换膜(PEM)是PEMFCs的关键组成部分,商业化的Nafion膜具有良好的化学稳定性、较高的质子电导率,但其价格昂贵,且在温度>100 ℃时,膜失水引起质子电导率显著降低限制其大规模使用。而高温PEMFC(HT-PEMFC)具有更快的化学反应动力学;能简化和改善水管理系统;能获得更高效的热管理和环境耐受性,这些优点使HT-PEMFC被认为是下一代燃料电池的有力竞争者[1]。因此,许多研究者致力于适用于高温(≥100℃)下使用的PEM的开发。
目前,非氟碳氢聚合物膜因成本低且化学稳定性好在HT-PEMFC研究中受到广泛重视,如磺化聚醚醚酮(SPEEK)[2],磺化聚醚酮(SPEK)[3],磺化聚苯并咪唑(SPBI)[4]等。在这些膜中SPBI因具有良好的热稳定性和化学稳定性而被应用于HT-PEMFC,但是高磺化度的SPBI提高了与水分子间的亲和力,导致SPBI膜溶胀而使机械性能下降。为了解决上述问题,Yamaguchi[5]提出以化学性质稳定、机械强度高的多孔膜为基底,往膜孔中填充具有质子传导力的电解质,制备填孔型质子交换膜。基底材料主要有多孔增强聚四氟乙烯(ePTFE)[6],聚酰亚胺(PI)[7],聚乙烯(PE)[8],聚偏氟乙烯(PVDF)[9]等,其中ePTFE基底因具有良好的机械强度和化学稳定性被广泛应用。Tan等[6]将全氟磺酸树脂(PFSI)填充于ePTFE基底中制备PFSI/ePTFE质子交换膜,结果表明:PFSI/ePTFE膜气体渗透率低、在干湿循环操作中具有良好的耐久性,且PFSI/ePTFE膜的燃料电池性能比Nafion112膜好。然而,ePTFE基底是一种表面能低、极其疏水的材料,难以将亲水性电解质填充于疏水基底中制备复合膜,需对ePTFE基底进行表面改性。萘钠溶液能大大降低ePTFE疏水性能,改善ePTFE基底与SPBI电解质间的相容性。ZrP具有良好的质子传导性能,可以通过磷酸基团解离提供质子,并通过氢键将水分子固定在材料表面[10]。在SPBI基质中掺杂具有良好质子传导性能、热稳定性和保水性能的ZrP,能较好地解决高温下膜脱水影响燃料电池性能的问题。目前,往ePTFE基底中填充SPBI-ZrP电解质在本领域鲜有应用。
本文通过萘钠溶液对ePTFE基底进行改性,通过水接触角和FT-IR对改性前后的基底进行表征。采用填充法将SPBI-ZrP电解质填充于改性的ePTFE基底中,制备SPBI-ZrP/ePTFE质子交换复合膜。通过FESEM、FT-IR观察复合膜的微观形貌和化学结构,采用干湿称重法、气体渗透率、拉伸测试、交流阻抗法考察SPBI-ZrP填充于ePTFE前后对PEM的溶胀度、致密性、机械性能和质子电导率的影响。
2 实验部分 2.1 实验原料和试剂ePTFE(厚度15 μm,平均孔径0.1 μm,孔隙率85%)购于上海大宫新材料有限公司,萘钠溶液购于广东佛山化学试剂有限公司。3, 3’-二氨基联苯二胺(DAB),间苯二甲酸-5-磺酸钠(5-SIPA),4, 4’-二羧基二苯醚(SIPN)和氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O)购于阿拉丁试剂有限公司。多聚磷酸(PPA),五氧化二磷(P2O5),二甲基亚砜(DMSO)等均为分析纯,由上海凌峰试剂有限公司提供。盐酸和无水碳酸钠等均为分析纯,购于国药集团化学试剂有限公司。
2.2 ePTFE基底的改性将预洗好的ePTFE基底放在萘钠溶液中5 s迅速取出,分别用无水乙醇和蒸馏水洗涤并于60℃中干燥。ePTFE基底改性机理如图 1所示:
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图 1 ePTFE基底经萘钠溶液改性机理图 Fig.1 Schematic diagram of ePTFE chemically treated by sodium-naphthalene solution |
采用直接缩聚法合成SPBI,详细合成步骤见参考文献[11]。调节5-SIPA单体与SIPN单体的摩尔比,合成磺化度为62.3%(wt) SPBI,合成路线如图 2所示:
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图 2 SPBI聚合物合成路线 Fig.2 Synthesis route of SPBI polymer |
采用成核/晶化隔离法制备ZrP[12],ZrP的XRD表征本课题组已有报道[13]。秤取定量ZrP于DMSO溶剂中超声30 min,加入SPBI颗粒,在60 ℃下搅拌形成SPBI-ZrP-2.5溶液。将改性好的ePTFE基底放在真空抽滤装置中,往其表面滴加SPBI-ZrP-2.5溶液,直至无溶液渗透后将复合膜放在烘箱中干燥数小时,为避免复合膜中有孔生成须多次重复上述步骤。然后将SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜放在去离子水中多次洗涤除去表面残留的溶剂,并放在70%(wt) H3PO4中质子化,取出用去离子水洗涤多次,烘干待表征。
2.5 表征方法采用TENSOR27 FT-IR对样品结构表征,量程范围为400~4000 cm-1;采用德国Kruss Gmbh公司生产的DSA25型水接触角仪,在基底表面滴加5 µL蒸馏水,对样品测试4次接触角值取其平均值;通过FESEM(SUPRA55) 观察膜的微观形貌;拉伸测试在室温下利用Instron5560型拉力试验机测试,以10 mm·min-1对膜测量3次取其平均值。使用干湿称重法测试膜的吸水率和溶胀度,具体测试步骤参考文献[6],使用O2渗透率测试膜的致密性。
通过上海华辰仪器公司的CHI600C电化学工作站,采用四电极交流阻抗在1~105Hz测定膜的质子电导率,用式(1) 计算质子电导率:
$\sigma = L/{\rm{(}}{t_s} \times {w_s} \times R)$ | (1) |
式中,σ:质子电导率/ S·cm-1;L:电极间的距离/ cm;ts和Ws:膜厚度和宽度/ cm;R:膜阻抗/ Ω。
3 结果与讨论 3.1 ePTFE基底改性表征ePTFE基底改性前后的接触角如图 3所示。未改性的ePTFE接触角为150.0°,改性后的ePTFE接触角变为75.9°,因ePTFE表面经萘钠溶液改性后处理液中Na+能破坏C-F键,使F原子被亲水基团取代,ePTFE基底由疏水性变为亲水性。
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图 3 ePTFE改性前后的水接触角 Fig.3 Contact angles of ePTFE before and after chemical treatment |
ePTFE改性前后的FT-IR如图 4所示。由图可知,改性后ePTFE基底的FT-IR出现了新官能团的振动峰,如1580 cm-1处羰基的伸缩振动吸收峰,2898 cm-1处异丙基的伸缩振动吸收峰,3370 cm-1处羟基的伸缩振动吸收峰,表明改性后的ePTFE基底结构中生成了-OH、C=O等亲水官能团,能有效地改善ePTFE基底与SPBI-ZrP电解质的相容性问题。
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图 4 ePTFE改性前后的FT-IR分析 Fig.4 FT-IR analysis of ePTFE before and after chemical treatment by sodium-naphthalene solution |
ePTFE的表面电镜如图 5(a)、SPBI-ZrP-2.5/ePTFE复合膜的表面和断面SEM如图 5(b)、5(c)所示。由图可知,ePTFE基底由多孔结构组成,经多次抽滤和热处理,SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜表面光滑且致密,且在膜表面有许多白色ZrP颗粒。在多次真空抽滤过程中,重力作用使SPBI-ZrP溶液填充于ePTFE基底孔中,经溶剂挥发后,SPBI-ZrP紧紧附着于ePTFE基底中。
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图 5 ePTFE (a)、SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜表面(b)和断面(c)SEM图 Fig.5 SEM micrographs of surface of ePTFE substrate (a) and SPBI-ZrP-2.5/ePTFE membrane (b), and cross-section of SPBI-ZrP-2.5/ePTFE membrane (c) |
图 6是SPBI、SPBI-ZrP-2.5和SPBI-ZrP-2.5/ePTFE复合膜的FT-IR图,620~640 cm-1是ePTFE中-CF2的弯曲振动峰,1160、1230 cm-1是ePTFE中-CF2、-CF3基团的伸缩振动峰[14]。1599 cm-1是SPBI咪唑环上C=C/C=N双键的伸缩振动峰,809、1043 cm-1分别是-SO3H基团上对称S-O和非对称S=O伸缩振动峰[15],552 cm-1是ZrP中PO2基团的伸缩振动峰。SPBI-ZrP-2.5膜中仅有SPBI和ZrP的特征峰,而SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜不仅含有SPBI和ZrP的特征峰,还含有ePTFE特征峰。上述结果表明,SPBI-ZrP电解质成功地填充于ePTFE中。
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图 6 SPBI、SPBI-ZrP-2.5和SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的FT-IR Fig.6 FT-IR spectra of SPBI, SPBI-ZrP-2.5, SPBI-ZrP-2.5/ePTFE membranes |
表 1是SPBI-ZrP-2.5和SPBI-ZrP-2.5/ ePTFE复合膜在室温下的O2渗透率(PO2)、吸水率(WU)和溶胀度(厚度方向:Δt,长度方向:Δl)测试结果。由表可知,SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的O2渗透率比SPBI-ZrP-2.5大,因为SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜中具有较大的ePTFE含量;而SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的O2渗透率比Nafion®112膜[16](2.16×10-9 / cm3·cm·cm-2·s-1·cmHg-1)小,这是由于SPBI-ZrP较低的渗透性,上述结果表明ePTFE基底孔中填满SPBI-ZrP电解质且复合膜具有良好的致密性。SPBI-ZrP-2.5的WU比SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜高,这是因为ePTFE疏水基底的存在导致SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的WU变少。膜在厚度方向的溶胀度大于水平方向,SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜在厚度和水平方向的溶胀度分别为2.1%和1.9%,表明该复合膜具有良好的尺寸稳定性。SPBI-ZrP-2.5在厚度方向的溶胀度是SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的7.3倍,因后者ePTFE基底的存在,能有效地抑制膜的溶胀。
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表 1 SPBI-ZrP/ePTFE复合膜的O2渗透率、吸水率和溶胀度 Table 1 The Oxygen permeability, water uptake and swelling degree of SPBI-ZrP/ePTFE composite membranes |
SPBI-ZrP-2.5和SPBI-ZrP-2.5/ePTFE复合膜的机械性能如表 2所示,SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的拉伸强度为25.95 MPa,断裂伸长率为28.21%,比Nafion®112膜(19.1 MPa)高[17],说明SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜具有良好的机械稳定性。SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的拉伸强度比SPBI-ZrP-2.5高19.86%,是因为ePTFE基底具有增强作用,能提高SPBI-ZrP/ePTFE膜的机械性能。
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表 2 SPBI-ZrP/ePTFE复合膜的拉伸强度和断裂伸长率 Table 2 Tensile strength and elongation at break of SPBI-ZrP/ePTFE composite membranes |
图 7为SPBI-ZrP-2.5、SPBI-ZrP-2.5/ePTFE复合膜在相对湿度100%、40~160℃下质子电导率随温度的变化关系及其阿伦尼乌斯曲线。从图中可以看出复合膜的质子电导率随温度升高而增加,因为温度升高能促进质子迁移速率增加质子数量。SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜在160℃和80℃时电导率达到0.222和0.071 S·cm-1,而Nafion膜(EW=1100) 在80℃时的质子电导率约0.077 S·cm-1 [18],在>100℃时其质子电导率急剧下降,说明SPBI-ZrP/ePTFE膜在高温下具有良好的质子传导性能,能应用于HT-PEMFC中。SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的质子电导率比SPBI-ZrP-2.5膜高,这是因为质子电导率与膜的厚度、电阻成负相关,SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的厚度(30 μm)比SPBI-ZrP-2.5膜(60 μm)薄,前者的电阻比后者小。由Arrhenius图中的斜率计算出SPBI-ZrP-2.5/ePTFE和SPBI-ZrP-2.5复合膜的活化能分别为13.99、14.06 kJ·mol-1,说明前者需较低的活化能就能在邻近的分子或质子缺位间跳跃。
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图 7 SPBI-ZrP-2.5、SPBI-ZrP-2.5/ePTFE复合膜的质子电导率图及其阿伦尼乌斯曲线 Fig.7 The proton conductivity and Arrhenius plots of SPBI-ZrP-2.5, SPBI-ZrP-2.5/ePTFE composite membranes |
本文通过填充法将SPBI-ZrP电解质填充于ePTFE基底中,成功制备了SPBI-ZrP/ePTFE质子交换复合膜。为改善ePTFE与SPBI-ZrP的界面相容性,利用萘钠溶液对ePTFE亲水化改性。通过多次真空抽滤使SPBI-ZrP成功地填充于ePTFE基底中,形成表面光滑的SPBI-ZrP/ePTFE复合膜。因ePTFE能有效地抑制膜的溶胀,使得SPBI-ZrP-2.5膜在厚度方向的溶胀度是SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的7.3倍;因ePTFE的增强效应,SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的拉伸强度比SPBI-ZrP-2.5膜高19.86%;同时SPBI-ZrP-2.5/ePTFE膜的质子电导率在相对湿度100%、160℃和80℃下达到0.222和0.071 S·cm-1。上述结果表明,SPBI-ZrP/ePTFE复合膜具有良好的尺寸稳定性、机械性能和质子传导性能,具有应用于HT-PEMFC的广阔前景。
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