侧链型磺化聚砜质子交换膜的制备、微相分离结构与性能的研究

    质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种清洁、高效的新型能源,近年来,其研究与开发应用得到了迅速发展。聚合物质子交换膜(PEM)是燃料电池的核心部件,它不但为质子从阳极到阴极的传导提供了通道,同时作为阴极和阳极之间的隔膜,可有效防止燃料气与氧化剂气体的混合。目前商业化的质子交换膜主要是美国杜邦公司的Nafion膜(一种全氟磺酸膜),但该膜存在价格昂贵、阻醇性低(用在直接甲醇燃料电池中)和高温失水(大于80℃)等严重缺点,限制了它的进一步应用。因此,目前迫切需要研发低成本、在高温低湿度条件下具有优良性能的非氟质子交换膜。芳香族聚合物具有优异的综合性能,是制备低成本与高性能PEM的重要骨架材料。由芳香类聚合物直接磺化改性所制得的主链型磺化聚合物质子交换膜,在高湿度条件下的水溶胀性过高,尺寸稳定性与机械性能都比较差;但是,如果通过精心的分子设计,设法将含磺酸基团的疏水侧链键联在芳香类聚合物主链上,即可形成具有亲水微区和疏水微区“微相分离”结构的侧链型磺化聚合物质子交换膜,这是制备高性能质子交换膜的重要方向之一。

    以氯甲基化聚砜(CMPSF)和氯代乙酰化聚砜(CAPSF)为前驱体,以羟乙基磺酸钠为(HSS)为亲核试剂,通过亲核取代反应,制备了两种脂肪磺酸型侧链磺化聚砜质子交换膜3PSF-SS和4PSF-SS(侧链中所含碳原子数分别为3与4);在充分表征(FT-IR和1H-NMR法)它们化学结构的基础上,考察了侧链结构对质子交换膜性能的影响,并与前期研究制备的苯磺酸型侧链磺化聚砜质子交换膜(1PSF-BSS)的性能进行了比较。初步的研究结果表明,与苯磺酸型侧链磺化聚砜质子交换膜相比,由于脂肪磺酸型侧链的柔性优于芳香侧链,侧链末端磺酸基团的活动能力更强,“微相分离”结构的特征更明显,导致在相同条件下,3PSF-SS、4PSF-SS质子交换膜的质子传导率和吸水率高于1PSF-BSS;同时,质子交换膜3PSF-SS与4PSF-SS相比较,随着脂肪侧链长度的增加,“微相分离”程度增加,导致4PSF-SS质子交换膜的质子传导率尺和寸稳定性比3PSF-SS都有所增强,关于这方面的研究有待于进一步深入进行。