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阵列化聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸刷及其Pt配合物的合成与表征

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第1章 绪 论

1.1 质子交换膜燃料电池(PEMFC)的结构与工作原理

1.1.1 质子交换膜燃料电池的结构

1.1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理

1.2 质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化剂研究现状

1.2.1 其他的金属与铂(Pt)相互作用的高性能催化剂

1.2.2 不同形态与结构的Pt催化剂

1.2.3 采用更加稳定的基底担载催化剂

1.3 本论文研究的目的与意义

第2章 静电自组装法合成Nafion/SiO2溶液及引发剂的合成

2.1 静电自组装法合成Nafion/SiO2溶液实验部分

2.1.1 实验原料、试剂及仪器

2.1.2 实验步骤与过程

2.1.3 测试表征仪器

2.2 结果分析与讨论

2.2.1 聚电解质膜的表面形态与均匀性

2.2.2 聚电解质膜的化学结构与表征

2.3 引发剂的合成与制备

2.3.1 实验原料、试剂及仪器

2.3.2 实验过程

2.3.3 化学结构的测试与表征仪器

2.4 结果分析与讨论

2.4.1 傅里叶红外谱图(FTIR)测试

2.4.2 1H-NMR核磁测试

2.5 本章小结

第3章 制备有序的电解质刷作为催化剂载体

3.1聚电解质聚合实验部分

3.1.1试验用试剂与原料

3.1.2 实验步骤与过程

3.1.3 测试与表征的仪器

3.2 结果分析与讨论

3.2.1 聚合物电解质膜的化学结构与成分表征

3.2.2 表面形貌分析

3.3 研究不同的聚合条件对聚AMPS的影响

3.3.1 分子量的计算

3.4 本章小结

第4章 单体原位还原法还原氯铂酸

4.1 单体原位还原法还原氯铂酸

4.1.1 实验用试剂与原料

4.1.2 实验步骤与流程

4.1.3 实验测试

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 高分辨率扫描电镜(SEM)图

4.2.2 PDDA-Pt/AMPS的原子力扫面探针图(AFM)

4.3 本章小结

第5章 主要结论与展望

参考文献

致谢

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摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过氢气燃料和氧气反应,将电化学能直接转化为电能的装置,由于具有高的能量转换效率、启动快速并且启动时无噪音、对环境友好等卓越的优势,是未来移动电源以及备用电源的重要的理想的替代电源。
  催化剂作为质子交换膜燃料电池的核心材料之一,最常用的催化剂是通过以碳为基体担载Pt或Pt基催化剂。然而,传统的Pt/C催化剂在质子交换膜燃料电池(PEMFC)的高氧化条件、高含水量、低PH(PH<1)、高电位、高含氧量并且高温(50-90℃)的苛刻条件下,非常容易被腐蚀氧化,进而造成催化剂的性能衰减严重;同时,Pt用量较高,这些因素限制了PEMFC的商业化进程。基于上述的分析,本论文主要的研究内容为制备以Nafion包裹的SiO2为质子交换膜,然后通过在质子膜上接枝引发剂引发2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸(AMPS)进行自由基聚合,生产有序的纳米结构的高分子刷。然后以这种高分子有序结构作为催化剂的载体,制备由阳离子单体(DMDAAC)稳定Pt颗粒的溶胶,使其阳离子单体和阴离子聚合物(AMPS)通过静电作用将纳米Pt颗粒稳定,得到Pt/AMPS/Nafion-SiO2膜电极,以期望降低电极中Pt用量。得到如下主要结论:
  1)以正硅酸四乙酯(TEOS)为制备SiO2的前驱体,以Nafion树脂作为表面活性剂,利用静电自组装的原理进行原位水解的方法合成由Nafion包裹的纳米二氧化硅SiO2颗粒膜,当SiO2含量为5%的时候,质子交换膜二氧化硅颗粒分散性最好,粒径较小并且均匀。因为SiO2颗粒表面含有大量的羟基,使其具有一定的保水性,同时也具有良好的热稳定性,适合做高温质子交换膜燃料电池的膜材料。
  2)通过偶氮引发剂引发2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸进行自由基聚合,生成可以导电的聚电解质。通过GPC测试计算以及SEM和AFM测试发现,在4小时之前,聚合时间对高聚物的分子量影响不大,当6小时的时候,体系发生凝胶效应,分子量快速增长。在单体浓度小于2.5mol/L的时候,聚合物的分子量与单体浓度成正比,当浓度高于2.5mol/L之后,聚合物的分子量的增加很小。所以我们选择聚合时间为2小时,单体浓度为2.5mol/L。
  3)将AMPS/Nafion/SiO2膜浸泡在PDDA稳定的Pt溶胶里面浸泡一小时,通过AFM测试和SEM测试发现,由阳离子聚合物PDDA稳定的Pt配合物在AMPS/Nafion/SiO2膜上规整均匀地沉积吸附。

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