学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于5-取代—四氮唑功能团的新型质子交换膜

作　者: 牛春朋
导　师: 李惠萍
学　校: 郑州大学
专　业: 化学工艺
关键词: 5-取代四氮唑点击环加成硅氧烷原位聚合质子交换膜
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 18次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

以Du Pont公司Nafion系列膜为代表的全氟磺酸膜,虽然具有较高的质子传导率和良好的化学稳定性,但较低的工作温度(约80℃)易导致催化剂CO中毒,还带来系统水、热管理等一系列问题；同时电导率强烈依赖于水极大地限制了Nafion膜在燃料电池中的推广应用。因此设计合成新型质子交换膜受到前所未有的关注。本课题任务来源于河南省国际合作项目“新型含氮杂环质子交换膜的设计与合成”(No.104300510009),旨在设计合成一种具有原生质子传导能力的含氮杂环功能团的质子膜。而四氮唑分子由于其环内共轭结构,具有良好的质子传导率,可以形成一系列电化学性质较稳定的化合物成为首选。首先,以对羟基苯甲腈和叠氮钠为主要原料,经点击化学法环加成合成了5-(4-羟基苯基)-1H-四氮唑(Ⅰ),通过正交试验设计和单因素法优化得到了合成Ⅰ的较佳工艺条件：n(叠氮钠)：n(对羟基苯甲腈)=1：1.4,回流下反应24h,50℃下酸化1.5h,产物Ⅰ的收率高达88.73%。运用FTIR、NMR等技术对产物Ⅰ进行了结构表征,同时进行了热稳定性测试和分析。其次,通过接枝缩合合成了一种含有四氮唑功能团的单体5-(4-(3-二甲氧基甲基硅烷基丙氧基)苯基)-1H-四氮唑(Ⅱ)作为制备新型质子交换膜的前驱体。采用GPC、FTIR、NMR等对其结构进行了表征和DSC进行了热稳定性分析。并通过正交试验设计和单因素法优化得到了合成Ⅱ的较佳工艺条件：n(5-(4-羟基苯基)-四唑)：氮n(Y-氯丙基二甲氧基甲基硅烷)=1：1.1,0.04mmol的氢氧化钾,反应46h,该条件下Ⅱ的收率达80.46%。最后,通过溶胶-凝胶反应,将产物(Ⅱ)原位聚合到聚四氟乙烯基膜上,得到一种基于5-取代-四氮唑功能团的新型含氮杂环质子交换膜,对其外观形貌和断面形貌进行了SEM表征,同时进行了热稳定性分析。研究结果表明,以对羟基苯甲腈、叠氮钠、硅氧烷为主要原料,经点击化学环加成、接枝缩合和原位聚合等制备一种基于5-取代四氮唑功能团的新型质子交换膜的工艺切实可行,该研究具有重要的理论意义和应用前景。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 燃料电池  10
    1.1.1 引言  10
    1.1.2 燃料电池的分类  10
  1.2 质子交换膜燃料电池(PEMFC)  10-13
    1.2.1 质子交换膜燃料电池的基本构成和工作原理  10-11
    1.2.2 质子交换膜燃料电池的发展历程  11-12
    1.2.3 质子交换膜燃料电池的优缺点  12-13
  1.3 质子交换膜(PEM)  13-18
    1.3.1 质子交换膜的研究现状  13-14
    1.3.2 对Nafion膜骨架的改性研究  14-15
    1.3.3 对Nafion膜电导率的改性研究  15-16
    1.3.4 质子交换膜应用面临的困难  16-18
2 质子交换膜单体的结构设计  18-23
  2.1 质子传导功能团的选择  18-20
  2.2 四氮唑环上取代基的选择  20-21
  2.3 聚合物骨架的选择  21-22
  2.4 实验方案  22-23
3 点击环化反应体系热力学分析  23-31
  3.1 引言  23-24
  3.2 Joback基团贡献法估算△_rH_m~θ和△_rG_m~θ  24-26
  3.3 △_rH_m~θ和△_rS_m~θ与温度的关系  26-27
  3.4 标准摩尔反应Gibbs函数△_rG_m~θ和标准平衡常数K~θ  27-29
  3.5 结果讨论  29-30
    3.5.1 反应体系的标准摩尔反应焓与温度的关系  29
    3.5.2 反应体系的吉布斯自由能与温度的关系  29-30
    3.5.3 反应平衡常数与温度的关系  30
  3.6 本章小结  30-31
4 点击化学法合成5-(4-羟基苯基)-四氮唑  31-40
  4.1 引言  31
  4.2 实验主要仪器与试剂  31-32
    4.2.1 主要的试剂与原料  31-32
    4.2.2 主要仪器  32
  4.3 实验装置图及实验步骤  32-34
    4.3.1 实验装置图  32
    4.3.2 实验步骤  32-33
    4.3.3 硅胶板的制备  33
    4.3.4 反应原理  33-34
  4.4 结构鉴定  34-35
    4.4.1 红外光谱  34
    4.4.2 核磁氢谱  34-35
    4.4.3 产物(Ⅰ)的热稳定性分析  35
  4.5 单因素实验结果与讨论  35-37
    4.5.1 反应时间的影响  35-36
    4.5.2 原料配比的影响  36
    4.5.3 酸化时间的影响  36-37
    4.5.4 酸化温度的影响  37
  4.6 正交实验结果与讨论  37-40
5 5-(4-(3-二甲氧基甲基硅烷基丙氧基)苯基)-1H-四氮唑的合成  40-49
  5.1 引言  40
  5.2 实验主要仪器与试剂  40-41
    5.2.1 主要的试剂与原料  40
    5.2.2 主要仪器  40-41
  5.3 实验装置及实验步骤  41-42
    5.3.1 实验装置  41
    5.3.2 实验流程  41
    5.3.3 实验步骤  41
    5.3.4 实验原理  41-42
  5.4 结构鉴定  42-44
    5.4.1 红外光谱  42-43
    5.4.2 核磁氢谱  43-44
    5.4.3 产物(Ⅱ)的热稳定性分析  44
    5.4.4 产物(Ⅱ)的聚合度的确定  44
  5.5 单因素实验结果与讨论  44-46
    5.5.1 碱的选择  44-45
    5.5.2 碱用量的选择  45
    5.5.3 溶剂的影响  45
    5.5.4 原料配比的影响  45-46
    5.5.5 反应时间的影响  46
  5.6 正交实验结果与讨论  46-49
6 溶胶-凝胶法合成新型质子交换膜  49-53
  6.1 引言  49
  6.2 实验主要仪器与试剂  49-50
    6.2.1 主要的试剂与原料  49
    6.2.2 主要仪器  49-50
  6.3 实验装置及实验步骤  50-51
    6.3.1 实验装置  50
    6.3.2 实验流程  50
    6.3.3 实验步骤  50-51
  6.4 结构鉴定  51-52
    6.4.1 新型质子交换膜的热稳定性分析  51
    6.4.2 新型质子交换膜的扫描电镜  51-52
  6.5 本章小结  52-53
7 结论  53-54
参考文献  54-58
致谢  58-59
个人简历  59

基于5-取代—四氮唑功能团的新型质子交换膜

内容摘要

全文目录

相似论文