【《质子交换膜研究发展文献综述》2500字】

质子交换膜研究发展文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u29350质子交换膜研究发展文献综述 1274691.1.1阳离子交换膜（CEM） 3275721.1.2阴离子交换膜（AEM） 5297841.1.3两性离子交换膜（AIEM） 587261.1.4非离子型多孔膜 6质子交换膜是由多种官能团连接在一起的三维网络结构，通过其本身结构特性来更好地传导质子，进行导电，使阴阳离子在膜内外按照一定的原理进行移动交换[[]苏蕾.全钒液流电池用Nafion复合膜的制备与研究[D].辽宁：大连理工大学，2017]。质子交换膜可以根据其所具备的官能团的不同而被分为4种类型：阴离子交换膜（AEM）、阳离子交换膜（CEM）、两性离子交换膜（AIEM）还有非离子型的多孔膜[12][]苏蕾.全钒液流电池用Nafion复合膜的制备与研究[D].辽宁：大连理工大学，2017图STYLEREF1\s1-SEQ图\*ARABIC\s13阳离子交换膜的传输原理Figure1-3Transmissionprincipleofcationexchangemembrane图STYLEREF1\s1-SEQ图\*ARABIC\s14阴离子交换膜的传输原理图Figure1-4Transmissionprinciplediagramofanionexchangemembrane在所有质子交换膜中，阳离子交换膜凭借其所具有的负电荷官能团来将膜两端的电解质溶液中的氢离子进行交换，阳离子交换膜的质子交换原理[[]胥腾飞.基于木质纤维同步酶解的微生物电解池产氢过程中传输与反应特性[D].重庆：重庆大学，2014]如REF_Ref11800\h图STYLEREF1\s1-3所示。与阳离子交换膜相反的是阴离子交换膜，阴离子交换膜就不是凭借负电荷官能团了，而是凭借与负电荷官能团相反的官能团，正电荷官能团，这些官能团能够使电解质溶液中的氢氧根发生离子交换，原理如REF_Ref11826\h图STYLEREF1\s1-4所示。相对于非离子型多孔膜而言，如REF_Ref11852\h图STYLEREF1\s1-5所示，即使是在没有官能团的时候非离子型多孔膜也能用其所特有的孔道将膜两端的质子进行交换传递，然而，体积较大的离子会因为孔道太小而难以通过孔道，最后将钒离子留在了其原来的位置，从而达到了降低钒离子渗透率的目的[[]ZhaoY,YuanZ,LuW,etal.Theporousmembranewithtunableperformanceforvanadiumflowbattery:Theeffectofcharge[J].JournalofPowerSources,2017,342(28):327-334]。[]胥腾飞.基于木质纤维同步酶解的微生物电解池产氢过程中传输与反应特性[D].重庆：重庆大学，2014[]ZhaoY,YuanZ,LuW,etal.Theporousmembranewithtunableperformanceforvanadiumflowbattery:Theeffectofcharge[J].JournalofPowerSources,2017,342(28):327-334图STYLEREF1\s1-SEQ图\*ARABIC\s15多孔膜的传输原理图Figure1-5Transmissionprinciplediagramofporousmembrane阳离子交换膜（CEM）美国的杜邦公司所生产出的质子交换膜（其化学结构如REF_Ref11888\h图STYLEREF1\s1-6所示）——Nafion系列膜作为全球使用市场最为广阔的一类阳离子交换膜，而目前所使用的Nafion膜的结构是由具备较高亲水性的端磺酸官能团（-SO3H）的侧链和柔性的疏水骨架组合而成的，聚四氟乙烯骨架使质子交换膜的化学稳定性和物理性能得到很大程度的改善，此膜的磺化基团为化学结构提供了亲水性与较强的电导率，Nafion膜所具有的柔性长离子侧链与全氟骨架可通过Nafion膜所形成的连续离子通道网络，迅速完成质子传输[12]。图STYLEREF1\s1-SEQ图\*ARABIC\s16Nafion膜的化学结构Figure1-6ChemicalstructureofNafionmembrane目前在市场上被广泛使用的Nafion膜系列包含许多型号[[]王斐然,蒋峰景.全钒液流电池离子导电膜[J].化学进展,2021,33(03):462-470.]，其中依据厚度和制备工艺不同，典型商业挤出型Nafion膜系列包含N112，N115和N117以及N1135和N1100，但是流延挤出型的Nafion系列编码为NR211和NR212[12]，商业Nafion膜的厚度范围是从25微米（NR211）到18微米（N117），对于不同的使用领域，采取不同的制备工艺，所制备出的质子交换膜有着不同的理化性质，Nafion膜的一些基本参数被列于[]王斐然,蒋峰景.全钒液流电池离子导电膜[J].化学进展,2021,33(03):462-470.[]PeronJ,ManiA,ZhaoX,etal.PropertiesofNafionNR-211membranesforPEMFCs[J].JournalofMembraneScience,2010,356(1-2):44-51表STYLEREF1\s1-SEQ表\*ARABIC\s11不同的Nafion膜理化系数Table1-1DifferentNafionmembranephysicalandchemicalcoefficients类型NR211NR212N112N1135N115N117厚度（μm）25505088127183工艺分散流延法挤出法吸水率（%）40.0047.0044.1032.5132.1134.12IEC（mmol·g-1）-0.880.840.860.870.88电导率（mS·cm-1）-701029810096在CEM中，Nafion膜凭借其极其优异的电池性能，依然是应用于全钒液流电池中最优选的质子交换膜：质子导电率很高[[]XiJ,WuZ,TengX,etal.Self-assembledpolyelectrolytemultilayermodifiedNafionmembranewithsuppressedvanadiumioncrossoverforvanadiumredoxflowbatteries[J].JournalofMaterialsChemistry,2008,18(11):1232-1238]：因为在聚合物骨架中引入磺酸基（-SO3H），将材料至于水中时，会出现譬如H3O+，-SO3[]XiJ,WuZ,TengX,etal.Self-assembledpolyelectrolytemultilayermodifiedNafionmembranewithsuppressedvanadiumioncrossoverforvanadiumredoxflowbatteries[J].JournalofMaterialsChemistry,2008,18(11):1232-1238[]KraytsbergA,Ein-EliYReviewofadvancedmaterialsforprotonexchangemembranefuelcells[J].EnergyFuels,2014,28(12):7303-7330较高的化学稳定性和机械强度[[][]TengX,DaiJ,SuJ,etal.ModificationofNafionmembraneusingfluorocarbonsurfactantforallvanadiumredoxflowbattery[J].JournalofMembraneScience,2015,476:20-29十分优良的电化学性能较高的工作温度范围和较高的化学稳定性[13]但是Nafion膜也有一些缺点，限制了其在液流电池中的应用[[]楚丹丹.[]楚丹丹.醌溴液流电池非稳态非等温过程的数值模拟[D].北京：北京理工大学，2015成本很高在高电流密度下，较高的欧姆损耗；高温低湿时质子电导率下降很快钒离子快速交叉和较低的离子选择性使全钒液流电池的容量和能量效率下降速率加快电池的电压效率会随着极化曲线上的电流密度的增加而下降由于全钒液流电池在电池系统需要比较与众不同的电解液环境以及对更加严重的钒离子渗透率的要求，美国杜邦公司的Nafion系列膜面向更广阔的市场的脚步更加沉重了些。综上所述，我们作为质子交换膜的研究开发者，需要将研究的重心放在经济环保高效率的质子交换膜的开发上，争取早日研究出更符合当今科技经济社会发展的具有所需性能的符合要求的质子交换膜。值得庆幸的是，已经有一些其他类型的聚合物阳离子交换膜已得到了成功的应用，我们的研究之旅的成功的概率还是很大的。阴离子交换膜（AEM）即使已经采取众多的可行性方法，并达到使得钒离子通过性下降的目的，虽然有这样的方法，但还是存在很多的弊端，所以只能通过阴离子交换膜这一方法，来解决这个问题。季铵盐基团，在阴离子交换膜中，其作用是拦住钒离子在电池中移动，使其不能通过质子交换膜[[][]KreuerKD.Ionconductingmembranesforfuelcellsandotherelectrochemicaldevices[J].ChemIform,2014,45(10):361-380Cha等报告了一种基于聚砜基的阴离子交换膜(CAPSU-X）,它可以通过控制与伯二胺基交联剂交联程度的不同来改变其微结构来增强膜的稳定性，氯甲基化聚砜可以用作交联的前体聚合物，CAPSU-2.5表现出更好的性能[12]，交联后的膜有很低的渗透性，在高温的情况下，电导率得到了非常大的改善。使用该膜的全钒液流电池在50mAcm-2下显示出了很高的效率（能量效率为86%），而且在100个循环中有着非常好的库伦效率(几乎为100%）。溶胶-凝胶法也可通过接枝其它聚合物来改变阴离子交换膜的微观结构，比如经过接枝以后的ETFE[12][[]ChaMS,JeongHY,ShinHY,etal.Crosslinkedanionexchangemembraneswithprimarydiamine-basedcrosslinkersforvanadiumredoxflowbatteryapplication[J][]ChaMS,JeongHY,ShinHY,etal.Crosslinkedanionexchangemembraneswithprimarydiamine-basedcrosslinkersforvanadiumredoxflowbatteryapplication[J].JournalofPowerSources,2017,363(30):78-86两性离子交换膜（AIEM）阳离子交换膜具有十分优异的化学稳定性以及较为优异的离子电导率，随着钒离子的渗透性升高电池的库伦效率会变低，因此，电池的循环性能很差，但对于阴离子交换膜来说，钒的渗透率要低很多，这就使得阴离子交换膜具有更长的使用寿命[[]XiaZ,[]XiaZ,YingL,FangJ,etal.Preparationofcovalentlycross-linkedsulfonatedpolybenzimidazolemembranesforvanadiumredoxflowbatteryapplications[J].JournalofMembraneScience,2017,525:229-239非离子型多孔膜非离子交换摸有着较高的钒离子交叉速率将会导致钒离子在负极和正极之间传输不平衡，除自放电反应之外，体积变化、浓度失衡和容量下降等最终导致了不良电池性能[[]ElgammalRA,TangZ,SunCN,etal.Speciesuptakeand